Pobierz ten numer w pdf
Transkrypt
Pobierz ten numer w pdf
prof.dr hab.inż. Jerzy Madej dr hab. inż. Marian Medwid Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Nowa koncepcja przestawczego układu biegowego pojazdu szynowego dla różnych szerokości toru w zarządach UIC – OCЖД W referacie omówiono przestawny układ biegowy pojazdu szynowego dla różnych rozstawów szyn. Jest nim zestaw odpowiednio poszerzonych kół, pozbawionych obrzeży, stowarzyszony nieodłącznie z nastawnym zespołem dwóch „obcych” rolek prowadzących, przeznaczony do ruchu kolejowego pomiędzy dwoma sieciami transportowymi wschodniej Europy UIC – OCЖД. Celem głównym rozwiązania jest ułatwienie przekraczania granicy bez wymiany wózków. Odpowiednio poszerzone pierścienie biegowe kół nośnych obejmują obydwie szerokości toru w sąsiadujących zarządach kolejowych. Techniczna zasada nowej koncepcji została przedstawiona na rysunkach i odpowiednio skomentowana. W referacie poświęcono należyte miejsce zagadnieniu bezpieczeństwa przed wykolejeniem. Znaczącą (stowarzyszoną) korzyścią omawianego rozwiązania jest znacznie niższy koszt reprofilacji zarysu kół nośnych w porównaniu do korekcji kół zestawów klasycznych po porównywalnym przebiegu eksploatacyjnym. 1. Racjonalny zarys współpracy koła i szyny W światowej kolejowej technice taborowej znane są liczne rozwiązania konstrukcyjne tzw. przestawnych zestawów kołowych w układach biegowych pojazdów szynowych przeznaczonych do ruchu w obrębie zarządów kolejowych o różnych szerokościach toru. We wszystkich tych rozwiązaniach zestawy kół mają odpowiednio uprofilowane, rozsuwane koła klasyczne, z własnymi obrzeżami. Zestawy dla transportu przestawczego z kołami rozsuwanymi są pod względem mechanicznym bardzo złożone, kosztowne i przeznaczone głównie dla wagonów pasażerskich; nie mogą być stosowane w lokomotywach. Nowa koncepcja techniczna budowy szczególnie prostego zestawu kół dla transportu przestawczego ma zestawy z kołami nie rozsuwanymi. Koła biegowe takich zestawów mają być odpowiednio poszerzone i pozbawione obrzeży, zaś rozsuwane są jedynie obce obrzeża rolkowe. Dodatkową zaletą prezentowanego rozwiązania jest znaczące zmniejszenie kosztów reprofilacji eksploatacyjnie zużytych bieżni kół, gdyż „obce” obrzeża są znacznie mniejsze i tańsze od kół nośnych oraz mogą być łatwo wymieniane. Wymiarowo bliski rozstaw szyn UIC – OCЖД (42,5 mm) we wspólnym obszarze skrajni taboru może być obsługiwany przez powszechnie aprobowany zestaw kół z poszerzonymi pierścieniami biegowymi 1 pozbawionymi obrzeży, oraz zespół „obcych”, rolkowych, rozsuwanych obrzeży bezpieczeństwa 2. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Rys. 1. W sąsiadujących zarządach UIC – OCЖД jednostronna różnica położeń szyn w stosunku do osi toru wynosi 85/2 = 42,5 mm Jeżeli na rysunek 2 spojrzymy w pozaemocjonalnym świetle nauki i postępu, to racjonalną budowę zarysu współpracy koła z szyną powinny określać dwa bezwzględne czynniki techniczne: – bezdyskusyjny pewnik, że podstawowe prowadzenie zestawu w torze dokonuje się za pomocą adhezyjnych sił podłużnych, oraz – obrzeża biegowych kół zestawu spełniają funkcję zabezpieczającą przed zejściem z toru zgodnie z kryteriami bezpieczeństwa wyznaczonymi metodami naukowymi, jak na przykład kryterium Nadala [1]. Y tgγ − µ = Q 1 + tgγ (1) gdzie: Y – siła boczna skierowana zgodnie z kierunkiem osi zestawu, Q – pionowy nacisk koła na szynę, 1 γ – kąt styku koła z szyną, µ – współczynnik tarcia w punkcie styku. Rys. 2. Zasada współpracy części biegowej nieklasycznego koła zestawu 1, wyposażonego w obce obrzeża rolkowe 2, z szyną 3, zapewniająca realizację profilu klasycznego 4, widziana w płaszczyźnie pionowej pojazdu zgodnie z kierunkiem osi tor Wyżej wymienione czynniki pozwalają na budowę technicznie racjonalnego zestawu nieklasycznego, z rolkowymi obrzeżami spełniającymi kryterium (1). 3. Konstrukcyjna elastyczność budowy zestawu Rys. 5. Konstrukcyjny przykład budowy osiowego węzła zestawu dla kolejowej komunikacji przestawczej Łożyskowy korpus rolki obcego obrzeża 2 najkorzystniej powinien pozostać pod ramą pojazdu nieusprężynowany, podobnie jak koło biegowe 1, przy czym w kierunku pionowym powinien być połączony na przykład z korpusem L łożyska osi zestawu. 4. Mechanizm rozsuwania obrzeży rolkowych Na rysunkach 6 i 7 przykładowo pokazano zasadę mechanicznego rozsuwania obrzeży rolkowych. Rys. 3. Praca obcego obrzeża 2 w warunkach nabiegania na szynę 2. Elementarna zasada budowy podwozia pojazdu Rys. 6. Zasada rozsuwania i ryglowania obcych obrzeży rolkowych w krzywkowym przykładzie wykonania; położenie w torze 1520 mm Rys. 4. Obce obrzeże rolkowe 2 powinno być osadzone po wewnętrznej stronie szyny 3, pod ramą 5 pojazdu możliwie blisko koła biegowego 1 2 Rys. 7. Zasada rozsuwania i ryglowania obcych obrzeży rolkowych w krzywkowym przykładzie wykonania; położenie w torze 1435 mm POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 5. Aspekt eksploatacyjny Poważnym atutem proponowanego rozwiązania jest prostota reprofilacji zarysu współpracy zestawu z torem. Zgodnie z rysunkami 3 i 5 rolka 2 ma średnicę znacznie mniejszą niż koło 1 zestawu, ma zarys symetryczny i może być przekładana na drugą stronę. Rolka obrzeża, jako niewielki element podwozia, może być wymieniana z kanału obsługowego w wagonowni. Jakkolwiek reprofilacja zarysu koła biegowego 1 wymaga zabiegów tradycyjnych, to jest przy tym znacznie bardziej materiałooszczędna niż w przypadku zarysu klasycznego z obrzeżem własnym. Odpowiednie ilustracje porównawcze przedstawiono na rys. 8 i 9. – zastosowanie trakcyjnych kół nośnych bez obrzeży zostało wypróbowane przez wiele dziesięcioleci w taborowej technice parowozów pięcioosiowych, gdzie środkowy zestaw był pozbawiony obrzeża, zaś prowadzenie parowozu w torze było powierzone obrzeżom nabiegających zestawów krańcowych; – boczne siły prowadzące przenoszone są na ramę pojazdu poprzez osiowe łożyska i prowadniki nośnych zestawów kołowych podobnie jak w rozwiązaniach tradycyjnych; – poszerzone pierścienie biegowe kół nośnych swobodnie mieszczą się w tradycyjnej skrajni taboru; – zespoły obcych obrzeży rolkowych są relatywnie niedrogie i mogą być łatwo dozorowane oraz wymieniane w wagonowniach i lokomotywowniach z kanałów przeglądowych. Literatura Rys. 8. Materiał skrawany podczas reprofilacji klasycznego koła pojazdu szynowego [1] Z e n g J., G u a n Q., H., Study on flange climb derailment criteria of a railway wheelset, Vehicle System Dynamics, 2008, Vol. 46, No. 3, s. 239-251. [2] M a d e j J., M e d w i d M., M e r k i s z J., S t a w e c k i W., Zestaw kół biegowych z obcymi obrzeżami rolkowymi, Zgłoszenie patentowe. [3] M a d e j J., M e d w i d M., M e r k i s z J., S t a w e c k i W., Zestaw kół biegowych z obcymi obrzeżami rolkowymi dla systemu przestawczego o zmiennej szerokości toru kolejowego 1435-1520, Zgłoszenie patentowe. Rys. 9. Materiał skrawany podczas reprofilacji nieklasycznego koła bezobrzeżowego 6. Podsumowanie Zaprezentowana koncepcja układu biegowego, dzięki swej technicznej prostocie, otwiera możliwość łatwego rozwiązania komunikacji wschód–zachód dzięki następującym atrybutom: – zaprezentowane rozwiązanie techniczne jest odpowiednie zarówno dla wagonów jak też lokomotyw oraz innych pojazdów trakcyjnych; – zaprezentowane rozwiązanie jest odpowiednie dla stosowanych hamulców kolejowych, zarówno klockowych jak i tarczowych; – zaprezentowane rozwiązanie pozwala na znaczne obniżenie kosztów reprofilacji zarysu kół nośnych; POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 3 dr inż. Jan Matej dr inż. Jarosław Seńko Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej Wpływ momentu napędowego i hamującego na bezpieczeństwo ruchu pojazdu trakcyjnego po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny W artykule przedstawiono i przedyskutowano konsekwencje wynikające z chwilowego doprowadzenia do osi zestawów kół momentu hamującego lub napędowego w sytuacji, gdy lokomotywa czteroosiowa porusza się z dopuszczalną prędkością po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny. Wykorzystano możliwości obliczeniowe specjalistycznego programu Adams Rail, przeznaczonego do badania dynamiki pojazdów szynowych. Analizowano proces wykolejenia będący wynikiem wspinania się obrzeża koła na główkę szyny. We wszystkich podjętych działaniach ocenę poziomu zagrożenia bezpieczeństwa ruchu sprowadzono do analizy wskaźników wykolejenia na kołach zestawu prowadzącego, z uwzględnieniem zarówno kąta nabiegania, kąta niedostatku przechyłki jak również pionowych nacisków kół na szyny wynikających z położenia zestawu kół w torze zakrzywionym. 1. Wprowadzenie Przedstawiona w artykule dyskusja dotyczy lokomotywy poruszającej się z dopuszczalną prędkością po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny i ogranicza się do analizy procesu wykolejenia powstającego w wyniku wspinania się obrzeża koła na główkę szyny – rys.1.1. Bezpieczeństwo ruchu trakcyjnego pojazdu szynowego w bardzo dużym stopniu zależne jest od położenia w torze zestawów kół, na które w czasie jazdy przekazywane są momenty napędowe lub hamujące, pionowe obciążenia od nadwozia oraz obciążenia wzdłużne i poprzeczne od elementów zawieszenia. Pojedynczy, konwencjonalny zestaw kół, w którym dwa stalowe koła o nominalnych promieniach toczenia rk osadzone są sztywno na wspólnej osi, przedstawiono na rys.1.2. Przyjęto, że na wirujący z prędkością kątową ω zestaw kół, poruszający się po torze zakrzywionym opisanym przez takie podstawowe parametry, jak: promień krzywizny środkowej linii toru R, rozstaw szyn 2s oraz przechyłkę hT, działa dodatkowo przyłożony w osi moment napędowy Mn lub hamujący Mh. Rys.1.2. Konwencjonalny zestaw kół w położeniu na pełnym łuku toru zakrzywionego Uwzględniono także niedostatek przechyłki. Zerowy kąt niedostatku przechyłki toru wystąpi wtedy, gdy odśrodkowa siła bezwładności, działająca na poruszający się wzdłuż toru z ustaloną prędkością v zestaw kół o masie m, zrównoważona zostanie przez Rys.1.1. Szkic badanego w programie Adams Rail modelu lokomotywy 4 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 poprzeczną składową siły ciężkości tego zestawu. Równanie równowagi jest wówczas następujące: mg (v2/gR - hT /2s) = 0. Człon Φ = v2/gR - hT /2s opisuje niedostatek przechyłki wyrażony w radianach, zaś symbol g oznacza przyśpieszenie ziemskie. Oprócz poprzecznego przemieszczenia względem linii środkowej toru zestaw kół ustawia się również względem szyny zewnętrznej pod kątem nabiegania ψ, którego wielkość w dużym stopniu zależy od parametrów zawieszenia pojazdu. Na rys.1.3 przedstawiono przyjętą w obliczeniach interpretację dodatniego oraz ujemnego kąta nabiegania koła na szynę na torze zakrzywionym. Przebieg procesu wykolejenia podzielić można na kilka faz – rys.1.4. Najpierw obrzeże koła zagrożonego wykolejeniem dociśnięte zostaje do wewnętrznej powierzchni główki szyny zewnętrznej. Współpraca obrzeża koła z szyną w takiej postaci oznacza kołnierzowe prowadzenie zestawu kół w torze zakrzywionym i jest początkową fazą wykolejenia. wspina się na główkę szyny, do pionowej reakcji szyny na to koło – rys.1.5) w odniesieniu do pojedynczego koła lub dwóch kół w zestawie i mają charakter quasi-statyczny – [9, 10, 11]. Wektory sił Y i Q są składowymi siły wypadkowej R = N + T na kierunku poprzecznym i pionowym, przy czym N jest wektorem siły normalnej, natomiast T wektorem siły stycznej w obszarze kontaktu obrzeża koła z szyną. Rys.1.5. Płaski układ równowagi sił w obszarze styku obrzeża koła wspinającego się na szynę Rys.1.3. Interpretacja znaków kąta nabiegania koła na zewnętrzną szynę na torze zakrzywionym – [4] Rys.1.4. Fazy procesu wykolejenia zestawu kół – [4] Sukcesywne zwiększanie się kąta styku obrzeża koła z szyną połączone jest ze wspinaniem się obrzeża na główkę szyny. W krytycznej fazie wykolejenia kąt styku osiąga maksymalną, możliwą do uzyskania wartość, następnie zmniejsza się i obserwowana jest końcowa faza połączona z gwałtownym przemieszczeniem poprzecznym koła będącego już na górnej powierzchni główki szyny oraz wypadnięciem całego zestawu kół z toru kolejowego. Stosowane do oceny poziomu zagrożenia wykolejeniem kryteria podają graniczną wartość stosunku sił Y/Q (czyli siły prowadzącej koło, którego obrzeże POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Zalecane przez przepisy kolejowe kryteria dotyczące wykolejenia nie uwzględniają kąta nabiegania koła na szynę ψ. Najbardziej znane jest kryterium Nadala, ustalające maksymalną wartość wskaźnika wykolejenia Y/Q wynikającą z równowagi sił w płaszczyźnie styku obrzeża koła z szyną – [2]. Przyjmując, że γ jest największym, możliwym do zrealizowania kątem styku, zaś µ jest współczynnikiem tarcia pomiędzy kołem i szyną, Nadal wyprowadził następujące równanie równowagi sił w obszarze styku obrzeża koła z szyną przy zerowej wartości kąta nabiegania oraz bez uwzględniania wzdłużnych sił stycznych: Y/Q = (tgγ µ)/(1+µ tgγ). Kryterium oceniające stan zagrożenia na podstawie analizy zsumowanych wartości wskaźników wykolejenia na dwóch kołach tego samego zestawu zaproponowane zostało przez Weinstocka i ma postać: Y/Q = (tgγ - µ)/(1+µ tgγ) + µ. W formule tej na kole, którego obrzeże styka się z szyną, wskaźnik Y/Q obliczany jest z równania Nadala, natomiast w przypadku drugiego koła wskaźnik utożsamiany jest z wartością współczynnika tarcia µ pomiędzy tym kołem i szyną wewnętrzną. Jak już wspomniano, obowiązujące kryteria służące do oceny poziomu zagrożenia wykolejeniem praktycznie nie uwzględniają składowych wzdłużnych sił stycznych. Badania doświadczalne potwierdziły jednak znaczący udział tych właśnie sił w procesie wspinania się obrzeża koła na główkę szyny - [10]. Dlatego prowadzona w artykule dyskusja dotyczy wpływu sił stycznych, zarówno w odniesieniu do początkowej, jak i krytycznej fazy wykolejenia - [4,7]. Siły te, jak również moment w obszarze styku koła z szyną przedstawiono poglądowo na rys.1.6. 5 Tx , Ty , M z oznaczają odpowiednio wzdłużne i poprzeczne siły styczne oraz moment wywołany istnieniem poślizgu poprzecznego i spinu. Założono, że koło nabiega na szynę pod kątem ψ oraz styka się z nią pod kątem γ, w punkcie leżącym na obrzeżu koła. Przyjmując, że na torze zakrzywionym maksymalna wartość wypadkowej siły stycznej T w obszarze styku obrzeża koła z szyną podlega prawu Coulomba, można napisać: | T |= µ ⋅ N = T 2x + T 2y . (1.1) W równaniu (1.1) µ oznacza współczynnik tarcia pomiędzy kołem i szyną, N siłę normalną, natomiast to odpowiednio składowa wzdłużna i Tx, Ty poprzeczna wypadkowej siły T. Rys.1.6. Siły styczne i moment wywołany poślizgami poprzecznymi i spinem w obszarze styku koła z szyną nowego pożądane jest, aby kryterialne wartości wskaźników wykolejenia były jak największe. Wyniki obliczeń dla przypadku ψ=0, α=0 oraz dwóch różnych maksymalnych wartości kąta styku obrzeża koła z szyną (γ=60° i γ=70°), przedstawiono na rys.1.7 i rys.1.8. Prowadzą one do wniosku, że w ogólnym bilansie sił stycznych działających w obszarze styku obrzeża koła z szyną decydujący wpływ na kryterialną wartość wskaźnika wykolejenia |Y/Q|kr ma wzdłużna siła styczna. Przy całkowitym braku tej siły (tzn. gdy tx=0 i ty=1), wskaźnik |Y/Q|kr osiąga najmniejszą wartość, która odpowiada wartości obliczonej z równania Nadala. Jednocześnie maksymalne wartości |Y/Q|kr uzyskiwane są wtedy, gdy tx=1 oraz ty=0, czyli przy całkowitym braku poprzecznej siły stycznej. Rys.1.7. Wpływ składowej tx na wartość |Y/Q|kr dla różnych maksymalnych kątów styku obrzeża koła z szyną Uwzględniając wyprzedzenie nabiegania koła na szynę, zdefiniowano kąt α, o jaki układ współrzędnych związany z kołem obróci się wokół osi wirowania zestawu kół. Następnie wprowadzono siły bezwymiarowe: (1.2) t x = Tx / T , t y = T y / T , z myślą o ustaleniu ich udziałów w wypadkowej sile stycznej, która uległa nasyceniu (saturacji). Z warunku saturacji wynika, że: t 2x + t 2y = 1 . (1.3) Biorąc pod uwagę związek pomiędzy siłami Y i Q w punkcie styku koła z szyną oraz równania (1.1), (1.2) i (1.3) otrzymano następujące równanie – [4]: Y /Q = − t x µ sin ψ cos α / cos γ − t y µ (cosψ − sin ψ sin α tgγ ) + cosψ tgγ + sin ψ sin α t x µ sin α / cos γ + t y µ cos α tgγ + cos α Po założeniu, że tx =0, ty=1, ψ=0 oraz α=0, z zapisu (1.4) wynika wprost równanie Nadala. Wykorzystując (1.2) oraz (1.3), ustalić można wpływ bezwymiarowych składowych tx oraz ty na wartości wskaźników Y/Q w krytycznej fazie wykolejenia, traktowane dalej jako bezwzględne wartości kryterialne |Y/Q|kr. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu pojazdu szy6 Rys.1.8. Wpływ składowej ty na wartość |Y/Q|kr dla różnych maksymalnych kątów styku obrzeża koła z szyną (1.4) W artykule skoncentrowano się przede wszystkim na znalezieniu odpowiedzi na pytanie „czy działający krótkotrwale na zestawy kół moment napędowy lub hamujący może zmniejszyć ryzyko wykolejenia się lokomotywy na torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny”. W tym przypadku prosta analiza, podobna do przedstawionej powyżej nie jest możPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 liwa. Dlatego zdecydowano się wykonać serię zaplanowanych badań symulacyjnych wykorzystując możliwości obliczeniowe specjalistycznego programu Adams Rail, przeznaczonego do badania dynamiki pojazdów szynowych. W podjętych działaniach ocenę poziomu zagrożenia bezpieczeństwa sprowadzono do analizy wielkości wskaźników wykolejenia oraz sił stycznych na kołach zestawu prowadzącego, z uwzględnieniem kąta nabiegania, kąta niedostatku przechyłki toru oraz pionowych nacisków kół na szyny wynikających z położenia zestawu kół w torze zakrzywionym. 2. Wstępne badania symulacyjne z udziałem modelu lokomotywy czteroosiowej Wstępne badania symulacyjne z udziałem modelu lokomotywy czteroosiowej wyposażonej w symetryczny, indywidualny układ napędowy, wykonano na torze zakrzywionym przy założeniu, że baza lokomotywy oraz baza wózka równe są odpowiednio 11,4 m oraz 3,2 m, natomiast pionowe, statyczne naciski wywierane przez zestawy kół na tor prosty wynoszą 200 kN. Szczegółowe dane na temat modelu zbudowanego w programie Adams Rail znaleźć można w pracy [12]. Użyte do obliczeń dane mają wartości parametrów stosowanych w konstrukcji zawieszeń lokomotyw czteroosiowych eksploatowanych na PKP. Model symulacyjny lokomotywy poruszał się z dopuszczalną prędkością 15 m/s po torze zakrzywionym bez nierówności geometrycznych [2], składającym się z trzech sekcji opisanych na rys.2.1, tzn. odcinka toru prostego o długości 50 m, krzywej przejściowej o długości 50 m oraz pełnego łuku skręcającego w prawą stronę, o promieniu R = 150 m i długości 100 m. profile S1002 oraz UIC60 dla kół i szyn oraz jednopunktowy, nieliniowy model kontaktu koła z szyną – [3]. Wykorzystując doświadczenia własne oraz innych badaczy zdecydowano się analizować zachowanie tylko prowadzącego zestawu kół, gdyż jest on najbardziej narażony na wykolejenie – [4, 6]. Ustalono, że podczas jazdy z dopuszczalną prędkością 15 m/s po torze o zerowej wartości kąta niedostatku przechyłki, prowadzący zestaw kół modelu lokomotywy ustawia się pod kątem nabiegania +12 mrad, a kąt styku obrzeża koła z szyną zewnętrzną równy jest 0,78 rad (44,7°) – rys.2.2. Stwierdzono również, że zewnętrzne koło zestawu prowadzącego wywiera na pełnym łuku pionowy nacisk na szynę równy 130 kN, natomiast wewnętrzne nacisk 70 kN. Wykorzystując symulacyjny model lokomotywy czteroosiowej kolejne badania zrealizowano w sytuacji, w której na koła nie działał moment napędowy ani hamujący. Przyjęto przy tym następujące założenia: 1. Lokomotywa porusza się po torze zakrzywionym o promieniu krzywizny równym 150 m, z ustaloną prędkością v = 15 m/s. Jest to prędkość dopuszczalna wyznaczona z godnie z [1]. 2. Parametry toru są tak dobrane, aby w ruchu ustalonym z prędkością dopuszczalną uzyskać odpowiednią wartość kąta niedostatku przechyłki na pełnym łuku toru, w zakresie od -3° do +3°. Rys.2.2. Kąt styku i kąt nabiegania zewnętrznego koła w zestawie prowadzącym lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s po torze zakrzywionym o promieniu krzywizny 150 m, w początkowej fazie wykolejenia Rys.2.1. Sekcje toru zakrzywionego o promieniu łuku R = 150 m – [4] Celem wstępnych obliczeń było ustalenie wartości kątów nabiegania oraz pionowych nacisków kół na szyny w zestawach prowadzących w chwili, gdy lokomotywa znajdowała się na pełnym łuku. Założono, że nominalny promień koła rk w zestawach wynosi 0.5 m, natomiast współczynnik tarcia pomiędzy kołem i szyną równy jest 0.4. Rozpatrywano unormowane POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Bezwzględne wartości wskaźników wykolejenia |Y/Q| na pełnym łuku w funkcji kąta niedostatku przechyłki, w odniesieniu do kół zestawu prowadzącego w wózku nr 1 lokomotywy przedstawiono rys.2.3. Na kole zewnętrznym zestawu prowadzącego daje się zauważyć umiarkowany wzrost wartości wskaźników wykolejenia, jeśli kąt niedostatku przechyłki zmienia się od ujemnych w stronę dodatnich wartości (|Y/Q| = 0,34 dla Φ = -3° oraz |Y/Q| = 0,39 dla Φ = +3°). Największa z tych wartości jest znacznie mniejsza od dopuszczanej przez przepisy [11]. Nie występuje więc niebezpieczeństwo wykolejenia. Jednocześnie, w tym samym 7 przedziale zmienności kąta niedostatku przechyłki, bezwzględne wartości wskaźników wykolejenia na kole wewnętrznym zestawu rowadzącego maleją rys.2.3. wych przedstawiono na rys.3.1. W każdym z trzech wyróżnionych przypadków moment napędowy wprowadzany był od 7 sekundy i narastał od zera do wartości docelowej w czasie 0,1 sekundy, 5 sekund oraz 10 sekund. Po osiągnięciu wartości maksymalnej moment napędowy utrzymywany był przez 2 sekundy na stałym poziomie, następnie redukowano go do zera. Ustalono, że czas narastania tn momentu napędowego powinien być krótki (w granicach 0,1 s), natomiast czas t utrzymywania się maksymalnej wartości tego momentu nie może przekraczać 2 sekund. Rys.2.3. Wskaźniki wykolejenia |Y/Q| na kołach zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w funkcji kąta niedostatku przechyłki toru zakrzywionego o promieniu R=150m, w początkowej fazie wykolejenia 3. Analiza wpływu czasu narastania i utrzymywania się na docelowym poziomie wartości momentu napędowego na zwiększenie ryzyka wykolejenia się prowadzącego zestawu kół Poszukując odpowiedzi na zasadnicze pytanie dotyczące zagrożenia związanego z wykolejeniem wykonano kolejne badania symulacyjne z udziałem symulacyjnego modelu lokomotywy w celu ustalenia wpływu czasu narastania i utrzymywania się docelowej wartości momentu napędowego lub hamującego na ryzyko wykolejenia powstającego w wyniku wspinania się obrzeża koła na główkę szyny. Na podstawie wcześniej zgromadzonych wyników obliczeń – rys.2.3 stwierdzono, że przy prędkości 15 m/s wskaźnik wykolejenia na najbardziej zagrożonym kole równy jest 0,39. Dla porównania jest to wartość dużo mniejsza od wartości Y/Q = 0,708 obliczonej z równania Nadala dla kąta styku pomiędzy kołem i szyną równego 60° oraz przy założeniu, że współczynnik tarcia wynosi 0,4. Na tym etapie badań zajęto się analizą skutków chwilowego działania momentu napędowego, którego efektem będzie zwiększenie (ponad dopuszczalną) prędkości lokomotywy wzdłuż toru. Trzy wartości momentu napędowego równe odpowiednio 10 kNm, 20 kNm oraz 30 kNm, przykładano do osi zestawów kół lokomotywy w chwili, gdy ta poruszając się ruchem ustalonym z prędkością 15 m/s wjeżdżała na pełny łuku toru o promieniu krzywizny 150 m. Ostatnia z wartości momentu napędowego traktowana była jako wartość graniczna ze względu na możliwość utraty przyczepności kół. Oszacowano ją przy założeniach, że maksymalny nacisk statyczny zestawu kół na szyny równy jest 200 kN, średnica koła wynosi 1 m oraz współczynnik tarcia pomiędzy kołem i szyną mieści się w przedziale wartości od 0,3 do 0,4. Charakterystyki branych pod uwagę momentów napędo8 Rys.3.1. Charakterystyki branych pod uwagę momentów napędowych na osiach zestawów kół lokomotywy Traktując kąt styku obrzeża koła wspinającego się na szynę zewnętrzną jako parametr pomocniczy w ocenie zagrożenia wykolejeniem stwierdzono, że w ruchu modelu lokomotywy po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny najkorzystniejszy jest przypadek, w którym chwilowy moment napędowy osiąga docelową wartość 30 kNm. Wówczas znacząco zmniejsza się wartość kąta styku koła szyną (od ok. 40°, gdy moment nie działa, do ok. 15°, gdy moment napędowy występuje) – czerwona linia na rys.3.2. Zauważono jednocześnie, że zbyt mała wartość momentu napędowego (w badanych przypadkach 10 kNm) podnosi nieznacznie poziom zagrożenia w porównaniu z sytuacją, gdy moment napędowy nie występuje – niebieska linia na rys.3.2. Wielkość kąta styku zwiększa się wówczas z 40° do ok. 44°. Do potwierdzenia tezy o zasadności stosowania krótkiego czasu narastania momentu napędowego wykorzystano rys.3.3. Najbardziej obiecujący jest przypadek, w którym czas tn = 0,1 s, gdyż towarzyszy mu najszybsze i największe chwilowe zmniejszenie się wartości kąta styku podczas utrzymywania się docelowej wartości momentu napędowego. Jednocześnie czas ten jest wystarczająco krótki, by nie pozwolić modelowi rozpędzić się do prędkości, przy której główną przyczyną wykolejenia będzie siła odśrodkowa działająca na pojazd. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Rys.3.2. Zmiana kątów styku w funkcji czasu na torze zakrzywionym o promieniu 150 m, na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w początkowej fazie wykolejenia w zależności od wielkości momentu napędowego Rys.3.3. Zmiana kątów styku w funkcji czasu na torze zakrzywionym o promieniu 150 m, na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w początkowej fazie wykolejenia w zależności od czasu trwania docelowej wielkości momentu napędowego Wnioski wskazujące na celowość stosowania chwilowo działającego momentu napędowego o odpowiednio dużej wielkości wypływają również z analizy wartości wskaźników wykolejenia na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego w modelu lokomotywy, przy różnych wartościach kąta niedostatku przechyłki toru rys.3.4. Wartości wskaźników |Y/Q| najmniejsze są wtedy, gdy moment napędowy równy jest 30 kNm, natomiast mały moment napędowy (w zakresie od 0 do 10 kNm) zwiększa bezwzględną wartość wskaźnika wykolejenia, co jest niekorzystne z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu. Tym samym potwierdzony został wcześniejszy wniosek sugerujący, że za optymalną uznać należy wartość momentu napędowego Mn równą 30 kNm, gdyż towarzyszy jej obniżenie wartości wskaźnika wykolejenia |Y/Q| od 0,39 (dla Mn=0) do 0,25 (dla Mn =30 kNm) przy niedostatku przechyłki +3° oraz zmniejszenie tej samej wartości |Y/Q| od 0,34 (dla Mn=0) do 0,17 (dla Mn =30 kNm) przy niedostatku przechyłki -3°. W pierwszym przypadku jest to spadek procentowy o ok. 36%, w drugim o ok. 50%. Rys.3.4. Zmiana bezwzględnych wartości wskaźników wykolejenia na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w funkcji momentu napędowego w początkowej fazie wykolejenia na torze zakrzywionym o promieniu 150 m POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 4. Kontrolowane wykolejenie pomiarowego zestawu kół z uwzględnieniem momentu hamującego lub napędowego Wykonane wcześniej badania symulacyjne nie kończyły się wykolejeniem modelu lokomotywy, co umożliwiłoby zarejestrowanie wartości parametrów w krytycznej fazie tego procesu. Dlatego za stosowne uznano rozszerzenie zakresu badań. W tym celu wykorzystano opisany w [8] wirtualny pojazd badawczy, umieszczając pod jego nadwoziem pomiarowy zestaw kół, na który mogą działać jednocześnie moment hamujący lub napędowy oraz zewnętrzna siła poprzeczna umożliwiająca kontrolowane wykolejenie. Zbudowany w programie Adams Rail model pojazdu badawczego składał się z nadwozia 1, zestawów kół 6, ramy prowadzącej 2, sztywnej ramki 3, połączonej z pomiarowym zestawem kół 4 oraz elementów zawieszenia 5 zestawu pomiarowego – rys.4.1. Rys.4.1. Elementy symulacyjnego modelu pojazdu badawczego z pomiarowym zestawem kół w programie Adams Rail - [4] Ustawienie pomiarowego zestawu kół w torze umożliwiały odpowiednie pary kinematyczne zastosowane w strukturze pojazdu badawczego. Do obrócenia ramy prowadzącej względem nadwozia, wykorzystano kinematyczną parę obrotową piątej klasy, która umożliwiała pomiarowemu zestawowi kół przyjęcie odpowiedniej wartości kąta nabiegania w płaszczyźnie poziomej. Para kinematyczna, reprezentująca punkt przemieszczający się po płaszczyźnie, pozwalała na przemieszczanie się pomiarowego zestawu kół w płaszczyźnie pionowej. Pionowe obciążenie przenoszone było z nadwozia na elementy zawieszenia, a następnie na koła zestawu pomiarowego. Kontrolowane wykolejenie pomiarowego zestawu kół następowało w wyniku działania zewnętrznej siły poprzecznej przyłożonej na poziomie główek szyn, wywieranej w zaplanowany sposób pomiędzy nadwoziem pojazdu badawczego i zestawem pomiarowym w czasie, w którym na zestaw kół działał moment napędowy lub hamujący. W ten sposób wyznaczono wartości wskaźników |Y/Q| w krytycznej fazie kontrolowanego wykolejenia pomiarowego zestawu kół. Wartości te traktowano następnie jako kryterialne wskaźniki wykolejenia, weryfikujące wartości wynikające z kryterium 9 Nadala. Badania symulacyjne kontrolowanego wykolejenia pomiarowego zestawu kół spełniały następujące założenia: - Wymiary geometryczne oraz profil kół zestawu pomiarowego odpowiadały wymiarom i profilom stosowanym w zestawach kół w badanym wcześniej modelu lokomotywy czteroosiowej. - Pomiarowy zestaw kół ustawiany był pod nadwoziem pojazdu badawczego pod kątem nabiegania +12 mrad. Taką wartość (zarejestrowaną wcześniej podczas przejazdu modelu lokomotywy ze stałą prędkością 15 m/s) utrzymywano przez cały czas kontrolowanego wykolejenia, do którego doprowadzano na pełnym łuku o promieniu 150 m. - Zewnętrzne koło zestawu pomiarowego obciążone zostało siłą pionową równą 130 kN, natomiast koło wewnętrzne siłą 70 kN, co również wynika z wcześniej wykonanych symulacji z udziałem modelu lokomotywy. - Poprzeczna siła zewnętrzna, powodująca wykolejenie pomiarowego zestawu kół, przykładana była w chwili pojawienia się momentu hamującego lub napędowego i narastała z taką prędkością, aby proces wykolejenia mógł rozpocząć się i zakończyć się na pełnym łuku toru zakrzywionego w czasie, w którym działał również wspomniany moment. - Momenty hamujące lub napędowe (o wartościach docelowych 10 kNm, 20 kNm, 30 kNm) przykładane były gwałtownie (w czasie narastania tn = 0,1 s), utrzymywano je na stałym poziomie przez 2 s, następnie wartości tych momentów redukowano do zera. Na rys.4.2 przedstawiono zmiany wartości kątów styku obrzeża koła wspinającego się na szynę w funkcji czasu przy braku momentu napędowego i dla dwóch wybranych wartości momentu napędowego (20 kNm oraz 30 kNm), przy zerowym kącie niedostatku przechyłki toru. Na tle zmian wartości kątów styku przykładowo wrysowano przebieg momentu napędowego o docelowej wartości 20 kNm. Rys.4.2. Zmiana w czasie wartości kątów styku obrzeża koła wspinającego się na szynę dla trzech wybranych wartości momentu napędowego, przy zerowym kącie niedostatku przechyłki toru zakrzywionego o promieniu 150 m, w krytycznej fazie wykolejenia sekundy, tzn. bezpośrednio po przyłożeniu poprzecznej siły zewnętrznej. Od tej chwili kąt styku obrzeża koła z szyną zwiększa się, osiągając w punkcie krytycznym maksymalną wartość 1.02 rad (58.7°). Dalsze wspinanie się obrzeża koła nabiegającego na główkę szyny prowadzi do zmniejszania się kąta styku, który po czasie ok. 9,2 s osiąga wartość minimalną równą 0.75 rad (42.8°). Następuje wówczas końcowa faza procesu wykolejenia. Obrzeże koła wjeżdża na główkę szyny i pomiarowy zestaw kół opuszcza tor. Na rys.4.3 maksymalnej wartości kąta styku obrzeża z główką szyny odpowiada szczytowa, bezwzględna wartość wskaźnika wykolejenia, która w dalszych analizach traktowana jest jako wartość kryterialna |Y/Q|kr. W tym konkretnym przypadku jest to wartość 0,94. Rys.4.3. Zmiana w czasie wartości kąta styku obrzeża koła wspinającego się na szynę i odpowiadające mu wartości wskaźnika wykolejenia przy zerowym kącie niedostatku przechyłki toru zakrzywionego o promieniu 150 m oraz momencie napędowym 30kNm, w krytycznej fazie wykolejenia Następne badania symulacyjne, dotyczące kontrolowanego wykolejenia pomiarowego zestawu kół, wykonano przy trzech wartościach kąta niedostatku przechyłki: -3°, 0° oraz +3°. Tym razem przedmiotem zainteresowania były kryterialne wartości wskaźników wykolejenia na pojedynczym kole w funkcji momentu napędowego i hamującego, zmieniającego się w zakresie od 0 do 30 kNm. Wyniki przedstawiono kolejno na rys.4.4 oraz rys.4.5. Stwierdzono, że zarówno moment napędowy, jak i hamujący przyczyniają się do zwiększenia kryterialnej wartości wskaźnika wykolejenia na pojedynczym kole. Jest to zależność wprost proporcjonalna, tzn. większej wartości momentu odpowiada większa wartość |Y/Q|kr, oznaczająca mniejszą skłonność do wykolejenia, a tym samym większy zapas bezpieczeństwa. Uzyskane wyniki wskazują na to, że większy zapas bezpieczeństwa zagwarantować można pojazdowi, jeśli ten porusza się po torze zakrzywionym o ujemnym kącie niedostatku przechyłki. Zmiany wartości kąta styku (zielona linia) oraz odpowiadające im wartości wskaźnika wykolejenia |Y/Q| (czarna linia) w przypadku, gdy moment napędowy równy był 30 kNm, pokazano na rys.4.3. Proces kontrolowanego wykolejenia rozpoczyna się tutaj od 7 10 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Rys.4.4. Zmiana bezwzględnych, kryterialnych wartości wskaźników wykolejenia na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w funkcji momentu napędowego w krytycznej fazie wykolejenia na torze zakrzywionym o promieniu 150 m Dalszemu wzrostowi momentu napędowego towarzyszy odwrócenie relacji pomiędzy wielkościami sił stycznych. Gdy moment osiąga wartość graniczną 30 kNm, siły poprzeczne zmniejszają się do wartości kilku kN, natomiast siły wzdłużne rosną i stabilizują się na poziomie ok. 35 kN. Taka relacja pomiędzy siłami stycznymi uzasadnia przytoczony wcześniej wniosek, że granicznej wartości momentu napędowego odpowiada największy poziom bezpieczeństwa w badanym przedziale zmienności momentu napędowego, gdyż wówczas wzdłużne siły styczne są największe. Rys.4.5. Zmiana bezwzględnych, kryterialnych wartości wskaźników wykolejenia na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w funkcji momentu hamującego w krytycznej fazie wykolejenia na torze zakrzywionym o promieniu 150 m 5. Udział sił stycznych w procesie wykolejenia koła wspinającego się na szynę Ocenie poddano wzdłużne i poprzeczne siły styczne w obszarze styku pojedynczego (zewnętrznego) koła z szyną w funkcji momentu napędowego, dla trzech wartości kąta niedostatku przechyłki. Przedstawione na rys.5.1 wyniki współgrają z zaprezentowanymi wcześniej na rys.3.4 wynikami badań, uzyskanymi w początkowej fazie wykolejenia prowadzącego zestawu kół w wózku nr 1 lokomotywy. Do analizy wybrano przypadek zerowego kąta niedostatku przechyłki. Rys.5.1. Wartości sił stycznych na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w funkcji momentu napędowego w początkowej fazie wykolejenia na torze zakrzywionym o promieniu 150 m W chwili, gdy na oś prowadzącego zestawu kół nie działa moment napędowy, obserwujemy duże wartości poprzecznych sił stycznych Ty (na poziomie 35 kN) oraz prawie dwukrotnie mniejsze wartości wzdłużnych sił stycznych Tx. Wielkości tych sił zrównują się po zwiększeniu momentu napędowego do ok. 12 kNm. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Rys.5.2. Wartości sił stycznych na zewnętrznym kole zestawu prowadzącego lokomotywy poruszającej się z prędkością 15 m/s, w funkcji momentu napędowego w krytycznej fazie wykolejenia na torze zakrzywionym o promieniu 150 m Wyniki przedstawione na rys.5.2 zapisane zostały w krytycznej fazie kontrolowanego wykolejenia w funkcji działającego na oś zestawu kół momentu hamującego lub napędowego, przy zerowej wartości kąta niedostatku przechyłki toru. Obserwacja przebiegu sił stycznych prowadzi do następujących wniosków: 1) Zwiększanie momentu hamującego lub napędowego w krytycznej fazie wykolejenia w nieznacznym stopniu wpływa na zmianę wartości wzdłużnych i poprzecznych sił stycznych. 2) W przypadku działania momentu hamującego wzdłużna siła styczna Tx zmniejsza się od ok. 17 kN (przy momencie 10 kNm) do ok. 16 kN, gdy ten moment osiąga wartość 30 kNm; poprzeczna siła styczna Ty ma podobny przebieg, a jej wartość zmniejsza się od 11,47 kN do 9,45 kN w badanym zakresie przyrostu momentu hamującego. 3) Gdy działa moment napędowy, wzdłużna siła styczna Tx zwiększa się od ok. 18 kN (przy momencie 10 kNm) do ok. 21,2 kN, gdy ten moment osiąga wartość 30 kNm; poprzeczna siła styczna Ty praktycznie utrzymuje się na jednakowym poziomie 15 kN. 4) Z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu relacja pomiędzy siłami stycznymi jest korzystna, tzn. wzdłużne siły styczne są większe od sił poprzecznych zarówno w przypadku momentu hamującego, jak i momentu napędowego;. 5) W przypadku działania momentu hamującego udział wzdłużnych sił stycznych jest w przybliżeniu o 11 ok. 30% większy niż poprzecznych sił stycznych (w porównaniu z przypadkiem działania momentu napędowego) w całym zakresie zmian momentu. Potwierdzają to większe wartości kryterialne wskaźników wykolejenia, gdy uwzględniany jest moment hamujący (rys.4.5), w porównaniu z podobnymi wskaźnikami, gdy występuje moment napędowy (rys.4.4). Podsumowanie Przedstawiona w artykule dyskusja ukierunkowana została na bezpieczeństwo lokomotywy czteroosiowej poruszającej się z dopuszczalną prędkością po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny. Analizowano proces wykolejenia będący wynikiem wspinania się obrzeża koła na główkę szyny. Dyskusja w znacznej części dotyczyła udziału i roli sił stycznych w obszarze styku obrzeża koła z szyną, zarówno w odniesieniu do początkowej, jak i krytycznej fazy wykolejenia. Skoncentrowano się przede wszystkim na znalezieniu odpowiedzi na pytanie „czy krótkotrwale działający na zestawy kół moment napędowy lub hamujący może zmniejszyć ryzyko wykolejenia się lokomotywy na torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny”. Ze względu na duży stopień skomplikowania problemu zdecydowano się wykorzystać możliwości obliczeniowe specjalistycznego programu Adams Rail, przeznaczonego do badania dynamiki pojazdów szynowych. We wszystkich podjętych działaniach ocenę poziomu zagrożenia sprowadzono do analizy wskaźników wykolejenia na kołach zestawu prowadzącego, z uwzględnieniem kąta nabiegania, kąta niedostatku przechyłki toru oraz pionowych nacisków kół na szyny wynikających z położenia zestawu kół w torze zakrzywionym. Ustalono, że podczas jazdy z dopuszczalną prędkością 15 m/s po torze zakrzywionym o promieniu krzywizny równym 150 m oraz przy zerowej wartości kąta niedostatku przechyłki, dochodzi do początkowej fazy wykolejenia, w której prowadzący zestaw w kół modelu lokomotywy ustawia się na pełnym łuku pod dodatnim kątem nabiegania +12 mrad, a kąt styku obrzeża koła z szyną zewnętrzną równy jest 0,78 rad (44,7 deg). Stwarza to warunki kołnierzowego prowadzenia zestawu kół. Największa z wartości |Y/Q| wskaźników wykolejenia jest jednak znacznie mniejsza od granicznej wartości, dopuszczanej przez przepisy kolejowe. Tym samym nie występuje niebezpieczeństwo opuszczenia toru przez prowadzący zestaw kół w wyniku wspinania się obrzeża koła na główkę szyny. Badając wpływ czasu narastania i utrzymywania się docelowej wartości momentu napędowego i hamującego na ryzyko wykolejenia powstającego w wyniku wspinania się obrzeża koła na główkę szyny ustalono, że najkorzystniejszy jest przypadek, w którym czas narastania jest krótki (wynosi ok. 0,1 s), natomiast czas utrzymywania się maksymalnej wartości 12 momentów nie przekracza 2 sekund. Stwierdzono również, że w ruchu modelu lokomotywy po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny jako optymalną uznać należy wartość momentu napędowego równą 30 kNm, gdyż towarzyszy jej obniżenie wartości wskaźnika wykolejenia |Y/Q| od 0,39 (dla Mn=0) do 0,25 (dla Mn =30 kNm) przy niedostatku przechyłki +3° oraz zmniejszenie tej samej wartości |Y/Q| od 0,34 (dla Mn =0) do 0,17 (dla Mn =30 kNm) przy niedostatku przechyłki -3°. W pierwszym przypadku jest to spadek procentowy o ok. 36%, w drugim o ok. 50%. Obniżenie wartości wskaźników wykolejenia oznacza tutaj zwiększenie zapasu bezpieczeństwa i jest pożądane. Rozszerzone badania symulacyjne wykolejenia modelu lokomotywy umożliwiły zarejestrowanie wartości wskaźników wykolejenia oraz sił stycznych w obszarze styku obrzeża koła z szyną w krytycznej fazie tego procesu. W tym celu wykorzystano wirtualny pojazd badawczy z umieszczonym pod jego nadwoziem pomiarowym zestawem kół, na który działały jednocześnie moment hamujący lub napędowego oraz zewnętrzna siła poprzeczna umożliwiająca kontrolowane wykolejenie. Stwierdzono pewną ogólną prawidłowość z której wynika, że w procesie wykolejenia zestawu kół maksymalnej wartości kąta styku obrzeża koła z szyną odpowiada szczytowa, bezwzględna wartość wskaźnika wykolejenia, która może być traktowana w dalszych analizach jako wartość kryterialna |Y/Q|kr. Jednoznacznie stwierdzono, że zarówno moment napędowy, jak i hamujący przyczyniają się do zwiększenia kryterialnej wartości wskaźnika wykolejenia na pojedynczym kole. Jest to zależność wprost proporcjonalna, tzn. większej wartości momentu odpowiada większa wartość |Y/Q|kr, oznaczająca większy zapas bezpieczeństwa. Uzyskane wyniki wskazują również na to, że większe bezpieczeństwo gwarantuje pojazdowi jazda po torze zakrzywionym o ujemnym kącie niedostatku przechyłki. Stwierdzono, że w krytycznej fazie wykolejenia moment hamujący odgrywa pozytywniejszą rolę w próbie zwiększenia bezpieczeństwa w ruchu po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny, jakkolwiek moment napędowy również przyczynia się do podniesienia tego poziomu. Analizując wyniki w kategorii przyrostów procentowych ustalono, że w przypadku momentu napędowego kryterialna wartość wskaźnika wykolejenia zwiększa się od 0,91 (gdy Mn =0) do 0,94 (gdy Mn =30kNm), co odpowiada przyrostowi wartości o ok. 3,3%. Taki sam przyrost w odniesieniu do momentu hamującego kształtuje się na poziomie 8,8%. Nie są to duże przyrosty, ale godne zauważenia, ponieważ wyraźnie potwierdzają tezę, że zarówno moment napędowy, jak i moment hamujący korzystnie przyczynia się do zwiększenia poziomu bezpieczeństwa lokomotywy czteroosiowej poruszająPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 cej się po torze zakrzywionym o małym promieniu krzywizny. Literatura Ocenie poddano również wzdłużne i poprzeczne siły styczne w obszarze styku pojedynczego koła z szyną w początkowej i krytycznej fazie wykolejenia. W początkowej fazie wykolejenia, w sytuacji gdy na oś zestawu kół nie działa moment napędowy, w obszarze kontaktu koła z szyną występują duże wartości poprzecznych sił stycznych Ty (na poziomie 35 kN) oraz prawie dwukrotnie mniejsze wartości wzdłużnych sił stycznych Tx. Siły te zrównują się po zwiększeniu momentu napędowego do ok. 12 kNm. Dalszemu wzrostowi momentu napędowego towarzyszy odwrócenie relacji pomiędzy wielkościami sił stycznych. Gdy moment osiąga wartość graniczną 30 kNm, siły poprzeczne zmniejszają się do wartości kilku kN, natomiast siły wzdłużne rosną i stabilizują się na poziomie ok. 35 kN. Taka relacja pomiędzy siłami stycznymi potwierdza wcześniejszy wniosek sugerujący, że w początkowej fazie wykolejenia możliwie duża wartość (30 kNm) działającego przez 2 sekundy momentu napędowego zapewnia największy poziom bezpieczeństwa w badanym przedziale zmienności momentu napędowego. Obserwacja przebiegu sił stycznych w krytycznej fazie kontrolowanego wykolejenia prowadzi do wniosku, że w przypadku chwilowego działania momentu hamującego wielkości wzdłużnych sił stycznych są większe prawie o 30% od wielkości poprzecznych sił stycznych (w porównaniu z przypadkiem, w którym działa moment napędowy) w całym zakresie zmian tego momentu. Umożliwia to uzyskanie większych wartości kryterialnych wskaźników wykolejenia w sytuacji hamowania zestawu kół. Procentowe różnice pomiędzy kryterialnymi wartościami wskaźników w krytycznej fazie wykolejenia wynoszą ok. 5,5% na korzyść momentu hamującego. Artykuł powstał w ramach pracy statutowej „Symulacyjne badanie wpływu momentu napędowego oraz momentu hamującego zestawy kół na zagrożenie wykolejeniem pojazdu w ruchu po torze zakrzywionym” [1] Bałuch, H.: Optymalizacja układów geometrycznych toru. Warszawa. WKŁ, 1983. [2] Elkins, J.A.; Carter, A.: Testing and Analysis Techniques for Safety Assessment of Rail Vehicles. Vehicle System Dynamics, No. 2, 1993, pp. 185-208. [3] Kalker, J.J.: Three-Dimensional Elastic Bodies in Rolling Cotntact. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht/Boston/London, 1990. [4] Matej, J.: Modelowanie oraz symulacyjne badania wagonów bimodalnych w kategoriach zagrożenia wykolejeniem. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Mechanika, z. 234. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010. [5] Matej, J.: Symulacyjna metoda oceny poziomu zagrożenia wykolejeniem wagonu towarowego na torze prostym. Przegląd Mechaniczny, Nr1/2011. [6] Piotrowski, J.: Poprzeczne oddziaływania między pojazdem i torem - podstawy modelowania numerycznego. Prace Naukowe PW, Mechanika, z. 118, Warszawa, 1992. [7] Santamaria, J.; Vadillo, E.G.; Gomez, J.: Influence of creep forces on the risk of derailment of railway vehicles. Vehicle System Dynamics, Vol. 47, No. 6, June 2009, pp. 721-752. [8] Seńko, J.: Model symulacyjny pojazdu badawczego z pomiarowym zestawem kół. Opracowanie wewnętrzne Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2010. [9] Sobaś, M.: Stan I doskonalenie kryteriów bezpieczeństwa przed wykolejeniem pojazdów szynowych (1). Pojazdy Szynowe, nr 4/2005. Str. 1-13. [10]Shust, W.; Elkins, J.: Wheel forces during flange climb. Part I - track loading vehicle tests. Transportation Technology Center, Association of American Railroads, Pueblo, Colorado 1997. [11]UIC Code 518.: Testing and approval of railway vehicles from the point of view of dynamic behaviour. Safety, track fatigue ride quality. International Union of Railways, 2nd edition, April 2003. [12]Zaborowski, J.: Badanie wpływu struktury układu napędowego na bezpieczeństwo ruchu pojazdu szynowego. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, 2006. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 13 dr hab. inż. Marek Pawełczyk Politechnika Świętokrzyska Rozwój systemów wykorzystujących akumulację energii w transporcie szynowym W artykule przedstawiono nowe rozwiązania w zakresie wykorzystania akumulacji energii w systemach transportu szynowego. Na szczególną uwagę zasługują nowe konstrukcje japońskich wagonów silnikowych o napędzie hybrydowym. Pierwsze trzy takie pojazdy zostały wprowadzone do eksploatacji przez East Japan Railway Company 31 lipca 2007 1. Wstęp Napędy hybrydowe nie są, wbrew temu, co się sądzi, pomysłem nowym. Pierwsze zastosowania tych napędów datują się na początek ubiegłego stulecia, przy czym początkowo ograniczały się one do pojazdów drogowych. W ostatnich latach daje się zaobserwować zwiększone zainteresowanie napędami hybrydowymi przez producentów taboru kolejowego. Niniejszy artykuł stanowi próbę przedstawienia tendencji rozwojowych w tym zakresie w kontekście rosnących cen nośników energii i troski o środowisko naturalne. 2. Napędy hybrydowe w pojazdach transportu drogowego Pierwsze próby skonstruowania pojazdów hybrydowych datują się na początek ubiegłego stulecia, kiedy to w Belgii i w Stanach Zjednoczonych powstały pierwsze prototypy takich pojazdów. Przyczyna ich skonstruowania była prozaiczna – w owym czasie moc jednostkowa silników spalinowych i parowych była bardzo niska, w związku z tym wspomagający napęd silnikiem elektrycznym, zasilanym z akumulatora, poprawiał własności trakcyjne pojazdu i jego osiągi. W tym kierunku szły konstrukcje belgijskiego konstruktora i producenta samochodów Piepera (pojazdy komercyjne budowane na podstawie jego patentu w latach 1906–1912) oraz Amerykanina H. Piepera (patent na pojazd hybrydowy udzielony w 1905 roku). W 1910 roku powstał prototyp hybrydowej ciężarówki, na bazie którego w Filadelfii w USA budowano seryjnie hybrydowe pojazdy ciężarowe aż do roku 1918. W międzyczasie konstrukcje silników spalinowych zostały w znacznym stopniu udoskonalone, co wyeliminowało z rynku pojazdy o napędzie hybrydowym. Ponowne zainteresowanie napędami alternatywnymi datuje się na przełom lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku. Powstają w tym okresie pierwsze eksperymentalne pojazdy hybrydowe 14 – można tu wspomnieć o patencie amerykańskiej firmy TRW (1971), pojazdach GM512 (1969), VW Taxi (1974), Buicku Skylark, przebudowanym na pojazd hybrydowy przez Wouka i Rosena (1974). Inspiracją do wielu prac był drastyczny wzrost cen ropy naftowej w I połowie lat siedemdziesiątych oraz konieczność ograniczenia emisji spalin przez pojazdy samochodowe, szczególnie w Kalifornii. W USA powstało w tym okresie kilka aktów prawnych, stymulujących bezpośrednio lub pośrednio rozwój napędów hybrydowych [1, 7, 12, 14]. Ponowny wzrost zainteresowania hybrydami przypada na lata dziewięćdziesiąte - w Stanach Zjednoczonych realizowany jest program Partnership for a New Generation of Vehicles, finansowany ze środków amerykańskiej „Wielkiej Trójki” i Departamentu Transportu. Mniej więcej w tym samym okresie Toyota podejmuje działania na rzecz uruchomienia produkcji pojazdów niskoemisyjnych, uwieńczone uruchomieniem w 1997 roku produkcji (początkowo na rynek japoński) samochodu osobowego Toyota Prius. Pierwsze wyniki sprzedaży są zachęcające – do końca roku sprzedano w Japonii ok. 18 000 tych pojazdów. W tym samym roku Audi uruchamia produkcję pierwszego europejskiego samochodu hybrydowego (Audi Duo, bazujący na konstrukcji Audi Avant). Brak zainteresowania tą konstrukcją na rynku skłonił producentów europejskich do rozwijania konstrukcji napędów opartych na silnikach wysokoprężnych. W roku 1999 na rynku amerykańskim pojawia się hybrydowa Honda Insight, a rok później – Toyota Prius. W roku 2002 Honda wprowadza do sprzedaży model Civic Hybrid. Dwa lata później zmodernizowana Toyota Prius II zostaje samochodem roku w plebiscycie organizowanym przez Motor Trend Magazine i pojawia się na rynku europejskim [1, 12, 14, 15]. Sukces seryjnie produkowanych pojazdów o napędzie hybrydowym skłonił czołowe koncerny samochodowe do podjęcia intensywnych prac konstrukcyjnych i aktualnie moPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 żemy napędy hybrydowe spotkać w ofercie większości liczących się producentów światowych. 3. Systemy i pojazdy wykorzystujące akumulację energii rekuperacji w kolejnictwie Pojazdy szynowe, wyposażone w napęd hybrydowy, można zdefiniować jako pojazdy, wyposażone w pokładowe systemy akumulacji energii, usytuowane pomiędzy pierwotnym źródłem energii (z reguły trakcyjnym silnikiem wysokoprężnym) a przekładnią, dostarczającą moment obrotowy na napędzane zestawy kołowe pojazdu. Zastosowanie układów hybrydowych jest atrakcyjne z punktu widzenia możliwości wykorzystania energii rekuperacji, która pojawia się podczas hamowania pojazdu. W trakcji elektrycznej rekuperowana energia jest przekazywana do sieci trakcyjnej, o ile na tym samym, lub na pobliskim odcinku zasilania znajduje się inny pojazd trakcyjny, pobierający energię z sieci. W przypadku, gdy nie ma możliwości przekazania energii rekuperowanej innemu pojazdowi pojazd przechodzi do klasycznego trybu hamowania, co powoduje zamianę energii kinetycznej pojazdu na energię cieplną, rozpraszaną w otoczeniu. Pojazd hybrydowy wyposażony jest w zasobnik energii (na ogół baterię akumulatorów), w którym energia rekuperacji zostaje zmagazynowana w celu jej wykorzystania podczas rozruchu. Rozwiązaniem alternatywnym jest zastosowanie stacjonarnych zasobników energii, usytuowanych w pobliżu linii kolejowej, do których energia rekuperowana zostaje przekazana, względnie wykorzystanie układów przekształtnikowych w podstacji trakcyjnej, które energię rekuperacji zwracają do sieci energetycznej. Każde z powyższych rozwiązań posiada określone wady – zasobnik energii na pojeździe zwiększa jego ciężar i pogarsza własności dynamiczne pojazdu. Stacjonarne zasobniki energii muszą być usytuowane w relatywnie małych odległościach, szczególnie na liniach charakteryzujących się dużym natężeniem przewozów. Z drugiej strony mają one korzystny wpływ na „wygładzenie” przebiegów prądowo-napięciowych w sieci trakcyjnej i na zniwelowanie „pików” mocy pobieranej przez podstacje trakcyjne z sieci energetycznej. Zastosowanie układów przekształtnikowych implikuje wzrost nierównomierności poboru mocy. Dotychczas próby zastosowania stacjonarnych zasobników energii nie wykraczały poza fazę pojedynczych instalacji, choć pierwsze koncepcje pochodzą jeszcze z początku XX wieku (Góry Skaliste, USA). Dwie prototypowe podstacje akumulujące nadwyżki energii rekuperacji, wyposażone w bezwładniki (koła zamachowe) były eksploatowane od pierwszej połowy lat osiemdziesiątych na linii Keihin w Japonii. Jedna z nich funkcjonuje do chwili obecnej [2, 3]. Na zastosowanie stacjonarnej podstacji akumulującej nadwyżki energii rekuperacji z bezwładnikami wykonanymi POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 w technologii włókien węglowych zdecydował się ostatnio zarząd metra w Nowym Jorku [4]. Stacjonarne podstacje akumulacyjne budowano także na bazie akumulatorów elektrochemicznych i tzw. kondensatorów dwuwarstwowych [5, 8, 10, 18]. Zastosowania akumulacji energii na pojeździe początkowo wiązały się z koncepcją napędu elektrycznego, w którym silniki trakcyjne zasilane były z baterii akumulatorów. Pierwsze próby budowy pojazdów akumulatorowych nie należały do udanych z uwagi na brak dostatecznie zaawansowanych technologicznie akumulatorów – były one zbyt ciężkie z uwagi na niskie wartości energii właściwej i mocy właściwej charakteryzujące tanie akumulatory ołowiowe i zasadowe akumulatory niklowo-żelazowe, w związku z tym zasięg takich pojazdów był niedostateczny. Przykładem takich konstrukcji, które nie sprawdziły się w eksploatacji była polska lokomotywa EPA 42-01, przebudowana w roku 1987 z lokomotywy manewrowej SM 42. Lokomotywa miała być wykorzystywana do prowadzenia pociągów sieciowych w tunelu średnicowym w Warszawie. W pojeździe tym silnik trakcyjny został zastąpiony baterią akumulatorów. Wyniki badań eksploatacyjnych nie potwierdziły założeń projektowych, jakość akumulatorów była niedostateczna i w efekcie prototyp nie został ostatecznie wprowadzony do normalnej pracy na PKP [19]. Większy sukces odniosły konstrukcje pojazdów szynowych, wykorzystujące hybrydowy napęd elektryczno-bateryjny. Palma pierwszeństwa w tej kategorii należy do Stanów Zjednoczonych. W roku 1928 firma Kennecott Copper złożyła zamówienie na 4 lokomotywy elektryczne wyposażone w dużą baterię akumulatorów Ni–Fe. Przepracowały one pomyślnie kilka dekad. Zasilanie odbywało się z sieci trakcyjnej o napięciu 750 V, a akumulatory umożliwiały krótkotrwałe zwiększenie mocy (szczególnie podczas rozruchu) i pracę na odcinkach niezelektryfikowanych [23]. W metrze londyńskim od roku 1936 były eksploatowane lokomotywy z takim właśnie układem napędowym. Przeznaczone były do prac serwisowych w tunelach metra. W miejsce wyeksploatowanych lokomotyw w latach 50., 60. i 70. dostarczane były nowsze pojazdy. Aktualnie metro londyńskie dysponuje pięcioma takimi pojazdami, wyprodukowanymi w roku 1970 (rys. 1). Na przełomie lat 70. i 80. koleje niemieckie eksploatowały wagony silnikowe o napędzie elektrycznoakumulatorowym [13]. Na początku lat osiemdziesiątych hybrydowe pojazdy metra, wyposażone w akumulatory inercyjne (koła zamachowe) wprowadziło do eksploatacji metro w Nowym Jorku [9]. W roku 1986 czechosłowacki producent pojazdów szynowych, ČKD, wyprodukował prototyp hybrydowej lokomotywy manewrowej, oznaczonej symbolem DA 600, zasilanej silnikiem wysokoprężnym o mocy 190 kW. 4 elektryczne silniki trakcyjne tej 15 nia na moc. Jedna taka lokomotywa, w wersji dwusilnikowej, została wyposażona w baterię akumulatorów i uzyskała oznaczenie RP20BH. Łącznie firma Railpower wyprodukowała w latach 2004–2010 około 190 lokomotyw, z których 66 – to lokomotywy hybrydowe o mocy 1000 i 2000 KM, a ponad 120 – to wielosilnikowe lokomotywy Genset [25]. Prototyp lokomotywy hybrydowej zbudowała także firma General Electric. Lokomotywy hybrydowe GE mają stanowić uzupełnienie aktualnie oferowanej serii GE Evolution [23]. Rys. 1. Lokomotywa L16 o napędzie elektryczno-bateryjnym, eksploatowana przez metro londyńskie. Źródło: http://en. wikipedia.org/wiki/File:Battery_loco_16_at_West_Ham.JPG (odczyt z dnia 2.05.2010) lokomotywy miały moc ciągłą 360 kW i były zasilane jednocześnie przez generator, napędzany silnikiem spalinowymi i przez baterię akumulatorów. Akumulatory były doładowywane w trakcie pracy silnika lokomotywy, a także podczas hamowania rekuperacyjnego. Mogły być także doładowywane w czasie postoju lokomotywy z zewnętrznego źródła energii. Po zakończeniu testów lokomotywa została przekazana do Ołomuńca, gdzie była pomyślnie eksploatowana przez 10 lat. Produkcji seryjnej tych lokomotyw nie udało się uruchomić ze względu na niewystarczające moce produkcyjne czechosłowackich firm wytwarzających akumulatory i brak możliwości w zakresie importu zaopatrzeniowego [21]. Ciekawym rozwiązaniem konstrukcyjnym są francuskie zespoły trakcyjne Autorail à Grande Capacité, produkowane od roku 2004 w różnych wariantach przez kanadyjskiego Bombardiera jako trakcyjne zespoły XGC o napędzie spalinowym (seria X 76500), dwusystemowe zespoły elektryczne ZGC (seria Z 27500) oraz dwumodalne zespoły BGC (napęd spalinowy + napęd elektryczny 1500 VDC – seria B 81500) i dwumodalne zespoły BGC z napędem spalinowym i napędem elektrycznym dwusystemowym 1500 VDC/25 kV AC [22]. Umiarkowanym zainteresowaniem kolei amerykańskich cieszą się hybrydowe lokomotywy firmy Green Power, produkowane od 2005 roku przez kanadyjską firmę Railpower Technologies. Firma oferuje także usługi w zakresie przebudowy istniejących spalinowych lokomotyw manewrowych na wersje hybrydowe [23]. Zgodnie z danymi firmy zastosowanie napędu hybrydowego zapewnia ograniczenie emisji substancji szkodliwych do 90% i ograniczenie zużycia paliwa do 60%. Pojazdy te zostały szczegółowo opisane w periodyku krajowym [24]. Ciekawym rozwiązaniem są lokomotywy Raipower serii Genset, w których źródłem napędu są małe silniki spalinowe; ich liczba wynosi, w zależności od modelu, od 2 do 4. Komputer pokładowy załącza odpowiednią liczbę silników w zależności od chwilowego zapotrzebowa16 4. Nowe hybrydowe pojazdy szynowe produkcji japońskiej Podobnie, jak w przypadku pojazdów samochodowych, również dziedzinie hybrydyzacji pojazdów szynowych konstruktorzy i producenci japońscy stają się liderami światowymi. Ich dziełem jest pierwszy na świecie hybrydowy spalinowy wagon silnikowy, który po zakończeniu testów rozpoczął dwa lata temu normalną pracę eksploatacyjną. Producentem pojazdu jest firma Hitachi, która prace, związane z zastosowaniem napędów hybrydowych w kolejnictwie podjęła już w roku 2001 [26]. Opracowany szeregowy hybrydowy układ napędowy jest wynikiem współpracy firmy Hitachi z działem badawczym East Japan Railway Company (jednej z 7 spółek kolejowych, wchodzących w skład grupy Japan Railways). Hybrydowy układ napędowy obejmuje silnik wysokoprężny o mocy 331 kW, napędzający trójfazowy generator elektryczny o mocy ciągłej 270 kW/ 615 V (rys. 2). Energia elektryczna, wytworzona przez generator, jest przekazywana do przekształtnika, z pośrednim obwodem prądu stałego, w skład którego wchodzi wysokowydajna bateria akumulatorów litowo-jonowych. Falownik typu VVVF zasila 2 silniki trakcyjne prądu przemiennego o mocy ciągłej 95 kW każdy. Układ sterowania zapewnia możliwość odzysku energii kinetycznej podczas hamowania wagonu [26, 27]. Rys. 2. Szeregowy hybrydowy układ napędowy wagonu silnikowego JR East [27] Badania układu napędowego, przeprowadzone podczas jazd próbnych testowego wagonu silnikowego o nazwie NE Train (New Energy Train), wykazały korzystne własności układu w zakresie zużycia paliwa, niezawodności i trwałości układu akumulacji energii oraz możliwości zastosowania układu w normalnych warunkach eksploatacyjnych. W oparciu o POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 wyniki badań JR East złożyły zamówienie na 3 hybrydowe wagony silnikowe i po ich dostarczeniu przez producenta w kwietniu 2007 roku rozpoczęto normalną eksploatację w dniu 31 lipca 2007 r., jednocześnie nadając nowym wagonom oznaczenie Kiha E200 DEMU (diesel electric multiple unit) [26]. Wygląd zewnętrzny wagonu silnikowego przedstawiono na rys. 3. Podstawowe dane techniczne wagonu [28]: Okres eksploatacji od 2007 do chwili obecnej Liczba wagonów w eksploatacji 3 Konfiguracja pojedynczy wagon silnikowy Liczba miejsc dla pasażerów 117 (46 miejsc siedzących) Linia Kuomi (JR East) Konstrukcja pudła stal nierdzewna Wymiary pojazdu 19 500×2920 mm Prędkość maksymalna 100 km/h Rys. 3. Wagon silnikowy KiHa E200 kolei JR East z napędem hybrydowym. Źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/File: JREast-kihaE200-1.jpg Rys. 4. Rozmieszczenie elementów układu napędowego w pojeździe [27] System sterowania obejmuje układy kontroli poprawności działania poszczególnych obwodów elektrycznych oraz kontroli stopnia naładowania akumulatorów. W celu poprawy niezawodności systemu maPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 gazynowania energii baterię akumulatorów podzielono na dwie odrębne funkcjonalnie części. W zależności od stopnia naładowania baterii i prędkości pojazdu regulowana jest moc silnika spalinowego, zgodnie z algorytmem zapewniającym utrzymanie właściwego stopnia naładowania akumulatorów i minimalizację zużycia paliwa: a) w celu obniżenia poziomu hałasu i zmniejszenia zużycia paliwa silnik spalinowy jest wyłączany podczas postoju pojazdu; b) rozruch pojazdu odbywa się kosztem energii zmagazynowanej w baterii akumulatorów (przy wyłączonym silniku spalinowym); c) przy prędkości ok. 25 km/h uruchamiany jest silnik trakcyjny, który za pośrednictwem generatora napędza silniki trakcyjne i doładowuje baterię akumulatorów; d) podczas hamowania odzyskowego silnik spalinowy jest wyłączany, a energia rekuperowana doładowuje baterię akumulatorów; e) gdy podczas hamowania rekuperacyjnego stopień naładowania baterii osiągnie maksimum, uruchamiane jest hamowanie silnikowe, aby zapobiec przeładowaniu baterii. Schemat układu sterowania przedstawiono na rys. 5, a schematy przepływów mocy w różnych fazach cyklu jazdy – na rys. 6. Rys. 5. Schemat funkcjonalny układu sterowania [27] Pojazd wyposażony jest w nastawnik jazdy i układ kontroli trakcji zaadaptowany z seryjnie produkowanych przez firmę Hitachi zespołów trakcyjnych. Dodatkowym elementem nastawnika jest tzw. gradientprediction control system (system sterowania oparty na przewidywaniu profilu pionowego). System automatycznie rozpoznaje chwilowe położenie pojazdu na odcinku linii kolejowej i na tej podstawie przewiduje zmiany profilu pionowego, w wyniku czego następuje odpowiednia modyfikacja algorytmu sterowania układem zarządzania energią: a) podczas jazdy po spadku w reżimie silnikowym lub podczas jazdy wybiegiem priorytetowo wykorzystywana jest energia z baterii akumulatorów; podczas hamowania w maksymalnym stopniu stosowany jest odzysk energii kinetycznej; 17 b) na wzniesieniach i na odcinkach płaskich rozszerzany jest przedział wartości określających stopień naładowania baterii, umożliwiających rozpoczęcie ładowania/rozładowywania baterii akumulatorów. Rys. 7. Zbiorniki wodoru (po lewej) moduł ogniw paliwowych (po prawej) [27] Rys. 6. Schemat przepływów energii w reżimach postoju, rozruchu, przyspieszania i hamowania [27] Zespół akumulatorów został umieszczony na dachu pojazdu. Składa się on z 16 modułów o łącznej pojemności 15,2 Ah, łącznej rezystancji wewnętrznej 144 mΩ i gęstości mocy 3 kW/kg. Masa pojedynczego modułu wynosi ok. 20 kg, przy rozmiarach zewnętrznych 540 x 260 x 160 mm (DxSxW). Zakładana żywotność baterii wynosi 8 lat, przy zakładanym okresie eksploatacji wagonu silnikowego, szacowanym na 15 lat [27]. Oszczędności energii, wynikające z zastosowania napędu hybrydowego, podczas testów wynosiły od kilku do ok. 20% w zależności od profilu pionowego linii, na której prowadzono badania (liczba kilometrów przejechanych na jednostce objętości paliwa wynosiła 1,7–2,3 km/dm3). Zgodnie z oczekiwaniami najmniejsze oszczędności uzyskiwano na podjazdach, największe oszczędności uzyskano na odcinkach linii o profilu płaskim. Emisja substancji szkodliwych zmniejszyła się dzięki optymalizacji warunków pracy silnika spalinowego(praca silnika w wąskim przedziale zmienności prędkości obrotowych) oraz dzięki zmniejszeniu zużycia paliwa, wynikającemu z zastosowania napędu hybrydowego. Emisja węglowodorów została zredukowana do poziomu 13,3% w porównaniu z napędem „klasycznym”, emisja tlenków azotu – do poziomu 40%, zaś emisja sadzy – do poziomu 43,7%. Jednocześnie poprawiły się własności dynamiczne pojazdu i, zdaniem badaczy, są one obecnie zbliżone do parametrów bliźniaczego elektrycznego zespołu trakcyjnego E 231 [27]. Aktualnie w ramach projektu ne@train prowadzone są badania kolejnego prototypu wagonu silnikowego, wyposażonego w baterię ogniw paliwowych, zasilanych gazowym wodorem. Na rys. 7 przedstawiono zbiornik wodoru (zdjęcie po lewej) i moduł ogniw paliwowych(zdjęcie prawe). 18 Rys. 8. Modyfikacja układu pojazdu związana z zastosowaniem ogniw paliwowych [27] Na rysunku 8 przedstawiono zasadnicze zmiany w konstrukcji pojazdu, związane z zastosowaniem ogniw paliwowych. Ze skrzyń, zainstalowanych pod pudłem wagonu zostały usunięte silnik spalinowy ze zbiornikiem paliwa i z generatorem elektrycznym, w ich miejsce zainstalowano wysokociśnieniowe zbiorniki zawierające 75 Nm3 wodoru pod ciśnieniem 35 MPa oraz dwa moduły ogniw paliwowych o mocy nominalnej po 65 kW każdy. Z uwagi na potencjalne zagrożenie, jakie niesie zastosowanie gazowego wodoru, w skrzyniach aparatowych zainstalowano system czujników – detektorów wodoru, podłączonych do systemu monitorowania bezpieczeństwa. Zmodyfikowany system sterowania przepływem mocy pokazano na rys. 9. Rys. 9. Modyfikacja systemu sterowania przepływem mocy związana z zastosowaniem ogniw paliwowych [27] Z uwagi na niskie temperatury robocze ogniwa paliwowego (~100°C) i dobrą dynamikę pracy podjęto decyzję o zastosowaniu ogniw paliwowych z polimerowym elektrolitem (PEMFC). Firma Hitachi opracowała także, we współpracy z kolejami brytyjskimi, hybrydowy układ napędowy, przeznaczony dla spalinowych lokomotyw liniowych i POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 dla zespołów trakcyjnych. Prototypowy układ hybrydowy został zamontowany w pociągu dużych prędkości, eksploatowanym w Wielkiej Brytanii. Pociąg testowy, nazwany V-Train 2, przeszedł serię testów, mających wykazać efektywność zastosowania nowego typu układu napędowego. Pod względem funkcjonalnym układ ten jest bardzo podobny do rozwiązań zastosowanych w opisanym wyżej wagonie silnikowym. 5. Podsumowanie Ograniczone ramy artykułu nie pozwalają na bardziej szczegółowe omówienie przedstawionych rozwiązań konstrukcyjnych napędów alternatywnych w kolejnictwie. Wydaje się, że tendencje w zakresie wprowadzania napędów hybrydowych w kolejnictwie są bardzo wyraźne, szczególnie w kontekście osiągnięć amerykańskich (lokomotywy manewrowe) i japońskich. Warto dodać, że w literaturze przedmiotu znaleźć można szereg informacji o kolejnych operatorach kolejowych wprowadzających lub zamierzających wprowadzić w najbliższej przyszłości pojazdy szynowe z napędami alternatywnymi. Również producenci europejscy (Alstom, Bombardier i in.) prowadzą intensywne prace badawcze i konstrukcyjne, mające na celu wdrożenie do praktyki eksploatacyjnej nowych napędów. Kilka lat temu na wystawie Innotrans w Berlinie można było oglądać prototypowy zespół trakcyjny Corradia Lirex firmy Alstom, wyposażony w zasobnik energii. Sygnały o wprowadzaniu nowych napędów alternatywnych dochodzą także od producentów tramwajów – przykładem tego mogą być przeprowadzone kilka lat temu w Warszawie badania tramwaju z zainstalowanym zasobnikiem energii, mogącego poruszać się na krótkich odcinkach niezelektryfikowanych. Wobec rosnących cen energii i coraz lepszych parametrów zasobników energii rozwój systemów wykorzystujących akumulację energii w transporcie szynowym wydaje się być nieunikniony. Literatura [1] History of Hybrid Vehicles | Hybrid Cars. http://www.hybridcars.com/history/history-of-hybridvehicles.html (2.05.2010). [2] M a r u y a m a N., Fly-wheel type electric railway energy saving substation, Japanese Railway Engineering, Vol. 21, No. 2, 1981. [3] S a t o r u S., Wayside and on-board storage can capture more regenerated energy, Railway Gazette International, 2.07.2007 (przedruk dostępny na stronie internetowej http://www.railwaygazette.com/news/singleview/view/10/wayside-and-on-board-storage-can-capturemore-regenerated-energy.html – 2.05.2010). [4] New York orders flywheel energy storage, Railway Gazette International, 14.08.2009 (przedruk dostępny na stronie internetowej http://www.railwaygazette. com/news/singleview/view/10/new-york-orders-fly-wheel-energy-storage.html – 2.05.2010). [5] G u n s e l m a n n W., H ö s c h l e r P., R e i n e r G., Energiespeichereinsatz im Statbahnnetz Köln, Elektrische POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Bahnen 98 (2000) z. 11-12. [6] P a w e ł c z y k M., Ocena korzyści związanych z zastosowaniem zasobników energii w trakcji elektrycznej prądu stałego, Materiały Międzynarodowej Konferencji MET ‘2001, Gdańsk 2001. [7] P a w e ł c z y k M., Zasobniki energii w transporcie – możliwości zastosowań i korzyści, Spedycja, Transport, Logistyka, nr 3/2001. [8] B a x t e r R ., Energy storage: enabling a future for renewables? Renewable Energy World July–August 2002. [9] B o w l e r M.E., Flywheel energy systems: Current status and future prospects, Magnetic Material Producers Association Joint Users Conference, 1997. [10] M a r s h a l l J., Supercharging Ahead: Bay Area firms lead in race to develop high-tech device, San Francisco Chronicle, January 29, 1997. [11] Energy Storage. Ultracapacitors and Batteries, A leaflet of the Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois. [12] V o u k V., Pojazdy z napędem hybrydowym, Świat Nauki, nr 12, 1997. [13] R a p p e n g l ü c k W., P f i s t e r , F., Elektrischer Triebwagen für Fahrleitungs- und Batteriebetrieb, ETR (30) 9 – 1981. [14] R e u y l J.S., S c h u u r m a n s P.J., Policy Implications of Hybrid-Electric Vehicles, Final Report to NREL under Subcontract # ACB-5-15337-01. April 22, 1996. [15] S z u m a n o w s k i A., Akumulacja energii w pojazdach, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1983. [16] M i e r z e j e w s k i L., S z e l ą g A., Aktualne kierunki ograniczania zużycia energii elektrycznej w transporcie kolejowym, Technika Transportu Szynowego, lipiec–sierpień 2004. [17] V a n M i e r l o J., V a n d e n B o s s c h e P., M a g g e t t o G., Models of energy sources for EV and HEV: fuel cells, battery, ultracapacitors, flywheels and engine-generators, Journal of Power Sources 128 (2004) 7689. [18] L e c h n e r M., R e i n e r K., Einsatz eines Batterienspeichers bei einer Bergbahn, Elektrische Bahnen 93 (1995) [19] Zapiski maszynisty – Pamiętnik maszynisty – bloog.pl. http://1435mm.bloog.pl/id, 2867584,title,EPA42,index.html? ticaid=6a406 (2.05.2010) [20] London Underground battery-electric locomotives, Artykuł w Wikipedii: http://en.wikipedia.org/wiki/London_ Underground_battery-electric_locomotives (2.05.2010). [21] V Japonsku se bude jezdit hybridním vlakem, http://www.zelpage.cz/zpravy/5014 (1.05.2010). [22] Autorail ŕ grande capacité, Artykuł w Wikipedii: http://en.wikipedia. org/wiki/Autorail_%C3%A0_grande_ capacit%C3%A9 (3.05.2010). [23] Hybrid train, Artykuł w Wikipedii: http://en.wikipedia. org/wiki/Hybrid_Locomotive (1.05.2010). [24] M i c h n e j M., S z k o d a M., Współczesne rozwiązania hybrydowych układów napędowych spalinowych pojazdów trakcyjnych, Technika Transportu Szynowego, nr 10/2007. [25] RailPower’s Green Goat Locomotives; Hybrids and Genset, Strona internetowa http://www.american-rails.com/greengoat-locomotives.html (4.05.2010). [26] T o k u y a m a K., S h i m a d a M., T e r a s a w a K., K a n e k o T., Practical Application of a Hybrid Drive System for Reducing Environmental Load, Hitachi Review, Vol. 57), No. 1, (2008. [27] F u r u t a R., Development of new energy train, 9th UIC Environment Coordinators Conference. Innovation Session: The Trains of the Future. Marseille 13th of October 2006, http://www.uic.org/spip.php?article1563. [28] KiHa E200, Artykuł w Wikipedii http://en.wikipedia.org/ wiki/KiHa_E200 (3.05.2010). 19 prof.dr hab.inż.Marian Medwid mgr inż. Rafał Cichy mgr inż. Tomasz Nowaczyk Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Model strukturalny systemu transportu naczep drogowych na wózkach kolejowych w ruchu kombinowanym kolejowo-drogowym W artykule zaprezentowano model strukturalny innowacyjnego rozwiązania systemu transportu kombinowanego, kolejowo-drogowego. Opisano istotne różnice nowego systemu w stosunku do znanych systemów transportu intermodalnego oraz wymieniono główne zalety nowego rozwiązania. Wyszczególniono podstawowe prace projektowe i naukowo-badawcze niezbędne do realizacji w celu dalszego rozwoju prezentowanej koncepcji. 1. Wstęp Stały wzrost ilości transportowanych towarów z jednoczesną troską o racjonalizowanie kosztów transportu i ochronę środowiska naturalnego wskazują na potrzebę ciągłego monitorowania stanu techniki w dziedzinie transportu drogowego i kolejowego oraz poszukiwania innowacyjnych technik transportu, w tym techniki intermodalnej, która generuje niższe koszty zewnętrzne i bardziej sprzyja środowisku naturalnemu. Rozwój transportu intermodalnego umożliwia ograniczenie przyrostu transportu towarów drogami kołowymi i równocześnie pozwala na przyrost masy towarowej transportowanej koleją. Transport kolejowy jest zdecydowanie mniej energochłonny w odniesieniu do transportu drogowego. Polska jest jedynym dużym krajem w UE, w którym poza transportem kontenerowym nie realizuje się przewozów intermodalnych, w szczególności drogowych naczep samochodowych. Naukowcy z IPS „Tabor” we współpracy z Politechniką Warszawską opracowali konkurencyjny do światowych konstrukcji, tabor bimodalny pozwalający rozwiązać problem „przeniesienia” tirów z drogi na tory. Istotną barierą wdrożenia tego systemu do eksploatacji jest konieczność wyprodukowania specjalnych naczep bimodalnych, których konstrukcja jest odpowiednio skomplikowana w porównaniu do standardowych naczep drogowych. Do najbardziej znanych i rozpowszechnionych w Europie i świecie systemów transportu kombinowanego, kolejowo drogowego należy zaliczyć systemy: „Ro-La” (ruchoma szosa), modalohr oraz system bimodalny. Wymienione systemy transportowe wykorzystują metodę przeładunku poziomego, bez użycia urządzeń dźwigowych za wyjątkiem systemu modalohr. Przedstawiany w niniejszym opracowaniu system 20 łączy pewne cechy pozytywne wymienionych wyżej systemów transportowych jak również eliminuje niektóre cechy negatywne. W systemie ruchoma szosa oraz modalohr naczepy ładowane są na specjalne platformy nośne o masie własnej 8–10 ton posadowione na wózkach kolejowych. W systemie bimodalnym platformy nośne zostały wyeliminowane i zastąpione urządzeniami zwanymi adapterami, na których zamocowane zostają bimodalne naczepy drogowe, które oprócz funkcji pojemnika na towar stanowią również strukturę nośną „wagonu”. Ze względu na sposób zamocowania naczepy na adapterach (podparcie naczepy na jej końcach), jest konieczne zaprojektowanie ramy naczepy o określonej wytrzymałości z reguły o masie większej o 2–3 tony w porównaniu do standardowej naczepy drogowej. W prezentowanym systemie transportowym wyeliminowano platformy nośne występujące w systemie ruchoma szosa oraz modalohr. Naczepa jest transportowana po torze kolejowym tylko na odpowiednio zaprojektowanych wózkach kolejowych, a punkty podparcia ramy naczepy pozostają w tym samym miejscu jak podczas jazdy po drodze kołowej. Zatem warunki obciążenia pionowego ramy naczepy w ufomowaniu drogowym i kolejowym pozostają bez zmian. Jednak w uformowaniu kolejowym na pociąg złożony z naczep działają siły wzdłużne, które nie występują podczas jazdy drogowej. Wzdłużne siły występujące w uformowaniu kolejowym wprowadzono w ramę nośną naczepy w miejscach, w których przekroje belek nośnych ramy są większe niż w części przedniej to znaczy w miejscu przewidzianym pod ciągnik drogowy. Zatem rama naczepy może wymagać przystosowania do ich przenoszenia lub nie, dla niektórych typów naczep. Przyrost masy ramy naczePOJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 py w porównaniu do standardowej naczepy drogowej będzie znacznie mniejszy niż w naczepie bimodalnej. 2. Struktura modelu System transportu naczep drogowych na wózkach kolejowych (rys. 1) złożony jest z odpowiednio przystosowanej naczepy drogowej 1, przedniego wózka dwuosiowego 2 i tylnego wózka czteroosiowego 3. Przedni wózek 2 może być wykonany jako wózek wyposażony w typowe urządzenia pociągowo-zderzne 4 (rys. 2) służące do połączenia z lokomotywą i składem pociągu, lub jako wózek wyposażony w sztywne urządzenie cięgłowe 5 (rys. 1), łączące przód naczepy z tyłem sąsiedniej naczepy, lub dwa tyły sąsiednich naczep. Przód naczepy 1 oparto na siodle 6 typu „Jost” i zamocowano do kolumny wózka 7 za pomocą połączenia sworzniowego. Urządzenie cięgłowe 8 łączy w sposób sztywny kolumnę wózka 7 z ramą nośną naczepy 9 za pomocą sworzni 10 lub innego rodzaju urządzeń sprzęgowych. Tył naczepy 1 spoczywa na wózku tylnym 3 w ten sposób, że koła naczepy oparto na półkach ramy wózka i zabezpieczono płytami odchylnymi 11 i cięgłami 12. Ramę wózka połączono ze wspornikiem 13 ramy naczepy za pomocą sztywnego cięgła 14 mocowanego przegubowo do wspornika 13 ramy naczepy. Do wspornika 13 ramy naczepy zamocowano również urządzenie cięgłowe 5 łączące sąsiednie naczepy. Mocowanie urządzenia cięgłowego 5 w wsporniku 13 można zrealizować za pomocą urządzenia sworzniowego 15 lub innego rodzaju urządzenia sterowanego ręcznie lub automatycznie. 3. Sposób montażu wózków pod naczepą Przestawienie naczepy z trakcji drogowej na kolejową odbywa się na płaskim terminalu wyposażonym w tor prosty zabudowany tak, aby poziom terminalu był zrównany z poziomem główek szyn toru. Na rysunku 3 pokazano sposób i kolejność montażu wózków kolejowych pod naczepą. Faza I rys 3a Ustawienie wózka tylnego na torze za kołami naczepy oraz zablokowanie wózka przed możliwością toczenia się po torze. Przygotowanie wózka do najazdu naczepy przez opuszczenie płyt odchylnych 11 (przednich) oraz płyt odchylnych wewnętrznych. Faza II rys. 3b Najazd kół naczepy na płyty odchylne 11. Zamocowanie wózka do naczepy za pomocą sztywnego cięgła 14. Zabezpieczenie kół drogowych przez podniesienie płyt odchylnych i ich zablokowanie zworami 12. Rys. 1. Naczepa na wózkach kolejowych z wózkiem przednim przystosowanym do łączenia międzynaczepowego Rys. 2. Naczepa na wózkach kolejowych z wózkiem przednim wyposażonym w typowe urządzenia pociągowo-zderzne POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 21 Rys. 3. Proces montażu wózków kolejowych pod naczepą Faza III rys. 3c Opuszczenie nogi podporowej i wyjazd ciągnika spod naczepy. cięgłowego 8 w ramie naczepy 9, za pomocą urządzenia ryglującego 10. Podniesienie nogi podporowej naczepy. Faza IV rys. 3d Wtoczenie wózka przedniego pod przód naczepy. 4. Alternatywne możliwości montażu składu pociągu Faza V rys. 3e Oparcie przodu naczepy na siodle typu „Jost” i zaryglowanie zamka siodła. Zamocowanie urządzenia Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono przykładowo dwie metody formowania składu pociągu złożonego z naczep na wózkach kolejowych. Pierwsza metoda rys. 4 polega na jednokierunkowym łączeniu przyczep (za 22 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Rys. 4. Pociąg wyposażony na obu końcach w wózki z urządzeniami pociągowo-zderznymi oraz ze sztywnym połączeniem międzynaczepowym Rys. 5. Moduł dwunaczepowy wyposażony na obu końcach w urządzenia pociągowo-zderzne wyjątkiem ostatniej naczepy), w ten sposób, że pierwsza naczepa jest wyposażona w przedni wózek zaopatrzony w urządzenia pociągowo zderzne a kolejne naczepy w przednie wózki wyposażone w wspornik do montażu sztywnego cięgła, łączącego przód kolejnej naczepy ze wspornikiem zamontowanym w tyle naczepy poprzedniej. Natomiast ostatnia naczepa w składzie pociągu jest odwrócona tyłem do naczepy poprzedzającej a przód naczepy jest wyposażony w wózek z urządzeniami pociągowo zderznymi. Druga metoda rys. 5 polega na tworzeniu dwuczłonowych zespołów naczep połączonych za pomocą urządzeń pociągowo zderznych, dwie naczepy w członie łączą się za pomocą sztywnego wzdłużnie cięgła przenoszącego siły pociągowe i ściskające, działające podczas jazdy po torach kolejowych. Zalety eksploatacyjne rozwiązania: − możliwość montażu naczep na wózki równocześnie dla kilku lub kilkunastu naczep, a po montażu połączenie ich w pociąg (skrócenie czasu formowania składu pociągu), − możliwość wyłączenia ze lub włączenia do składu pociągu dowolnej naczepy, znajdującej się wewnątrz składu pociągu, − łączenie naczep w składy dwuczłonowe, zaopatrzone na końcach w urządzenia pociągowo zderzne pozwala na doczepienie składów dwuczłonowych na końcu pociągu towarowego (masa składu dwuczłonowego jest w przybliżeniu równa masie towarowego wagonu czteroosiowego ~80 t, zatem zderzaki są zdolne do przeniesienia i pochłonięcia energii przy nabieganiu składów dwuczłonowych na ostatni wagon pociągu towarowego), − relatywnie mały rozstaw czopów skrętu między wózkiem przednim i tylnym tworzy lepsze warunki wpisywania się naczepy w zarys skrajni taboru w porównaniu do systemów ruchoma szosa, modalohr oraz bimodalnego, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 − znaczące zmniejszenie masy pociągu w porównaniu do systemów ruchoma szosa i modalohr, − prosty terminal przeładunkowy, bez dodatkowej infrastruktury przeładunkowej. 5. Podsumowanie Ze względu na nowatorski, niekonwencjonalny układ biegowy pociągu w celu dalszego rozwoju projektu należy podjąć szereg niezbędnych analiz konstrukcyjnych oraz symulacyjnych badań teoretycznych między innymi w zakresie oceny: − bezpieczeństwa ruchu pociągu na torze prostym i na łukach, − wytrzymałości konstrukcji naczepy oraz elementów i zespołów układu biegowego pociągu, − kinematyki ruchu pociągu przy różnych konfiguracjach torów, − spełnienia warunków skrajni kinematycznej wg przepisów UIC 505-1 oraz 506-1. Oddzielnym, nie rozpoznanym szczegółowo na tym etapie prac koncepcyjnych problemem jest spełnienie wymagań dotyczących hamowania składu pociągu. Pod względem struktury budowy pociągu proponowane rozwiązanie można porównać z systemem „ruchoma szosa”, gdzie wspólnym parametrem układów biegowych jest mała średnica kół wózków kolejowych (450 mm). W systemie „Ro-La” zastosowano hamulec tarczowy, mocując tarcze hamulcowe na kołach osi zestawów kołowych. W prezentowanym w niniejszej publikacji rozwiązaniu, jest to niemożliwe ze względu ograniczenia wynikające z przyjętej koncepcji układu biegowego. Teoretycznie istnieją możliwości konstrukcyjne zabudowy hamulca niekonwencjonalnego, zwłaszcza, że masa „wagonu” wg prezentowanej koncepcji jest ~15 ton mniejsza od załadowanego wagonu systemu „ruchoma szosa”. 23 Proponowana nowatorska koncepcja transportu naczep drogowych w ruchu kombinowanym, kolejowo-drogowym stanowi nowe wyzwanie dla projektantów i naukowców branży taboru kolejowego. Wdrożenie do eksploatacji nowego systemu transportu intermodalnego może istotnie przyczynić się do komodalności dwóch gałęzi transportu, kolejowego i drogowego. Zaprezentowana koncepcja systemu transportu naczep drogowych na wózkach kolejowych oraz szczegółowe rozwiązania techniczne zastosowane w projekcie zostały zgłoszone do ochrony patentowej w Urzędzie Patentowym RP. 24 Literatura [1] M e d w i d M., Studium tworzenia intermodalnych środków technicznych transportu lądowego w szczególności taboru bimodalnego, Rozprawy, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2008. [2] M e d w i d M., Polski system transportu kolejowodrogowego [Bimodalnego] typu „Tabor”, Monografia, Wydawnictwo IPS „TABOR”, Poznań 2006. [3] M e d w i d M., C i c h y R., System transportu przyczep drogowych po torach kolejowych i tramwajowych, Pojazdy Szynowe nr 2/2010, Wydawnictwo IPS „TABOR”. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 dr inż. Zygmunt Marciniak, dr Włodzimierz Stawecki Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” dr inż. Ireneusz Pielecha dr inż. Jacek Pielecha Politechnika Poznańska Problemy emisji spalin ze specjalnych pojazdów szynowych W artykule przedstawiono analizę ekologiczną specjalnych pojazdów szynowych na przykładzie ciągnika szynowo-drogowego. Przedstawiono wyniki pomiarów emisji składników gazowych oraz cząstek stałych w rzeczywistych warunkach ruchu tego pojazdu. Zaproponowano możliwości zastąpienia lokomotyw manewrowych przez pojazdy szynowo-drogowe. 1. Wstęp Zagadnienia ekologiczne dotyczące ograniczania zużycia energii, paliw i emisji związków szkodliwych znajdują swoje odzwierciedlenie również w obszarach związanych z pojazdami szynowymi. Niniejszy artykuł dotyczy zagadnienia wykorzystania ciągników szynowo-drogowych w aspekcie ograniczenia emisji składników szkodliwych i potencjalnych możliwości zastąpienia nimi spalinowych lokomotyw manewrowych. Pojazdy specjalne trakcji szynowej często bazują na konstrukcjach samochodów ciężarowych (np. Iveco, Star – do prowadzenia prac pociągowych i manewrowych na bocznicach kolejowych), ale również ciągników (Ursus, Crystal). Ciągnik szynowo-drogowy to ciągnik przeznaczony do prac związanych z przetaczaniem wagonów po torach (wąskich i szerokich). Wyposażenie tego ciągnika oparte jest na kompletacji modelu Crystal z dodatkowym reduktorem biegów pełzających oraz zwężonym rozstawie kół. Model szynowy jest doposażony przez Instytut Pojazdów Szynowych TABOR w układ umożliwiający jazdę po torach kolejowych i podłączenie z wagonem kolejowym. Ciągnik ten wykonuje prace zarówno jako lokomotywa, jak również ciągnik do holowania po drodze. Cechy konstrukcyjne tych pojazdów umożliwiają: – wjazd na tory na dowolnym przejeździe kolejowym, – łatwe wstawianie pojazdu na tor, – prosty zjazd z toru na drogę, – eksploatację na torach o różnej szerokości (1524 i 1435 mm), – łatwe przestawianie z toru normalnego na szeroki, – dojazd drogami terenowymi do miejsca przeznaczenia. 2. Metodyka badawcza Badania emisji składników szkodliwych w spalinach prowadzono z wykorzystaniem ciągnika szynowodrogowego Crystal Orion C13. Widok ciągnika wyposażonego w aparaturę pomiarową przedstawiono na rys. 1. Parametry techniczne silnika przedstawiono w tabeli 1. Rys. 1. Badania ciągnika Crystal z zamontowanymi układami pomiaru emisji spalin wykonane w IPS Tabor w Poznaniu POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 25 2. 3. 4. 5. 6. 7. Wielkość Typ/seria pojazdu Typ silnika Ne Układ cylindrów nNe-max Vss ge Jednostka – – kW obr/min dm3 g/(kW·h) Wartość Ciągnik szynowo-kołowy Orion Crystal 13 Martin Z.8701.12 98 4/R 2200 6,842 240 Do pomiarów związków toksycznych wykorzystano mobilne analizatory spalin wykorzystywane do badań drogowych [5, 6]: − pomiar stężenia związków szkodliwych (CO, HC, NOx, CO2) oraz masowe natężenie przepływu spalin – SEMTECH DS firmy SENSORS [8], − pomiar liczby cząstek stałych – mobilny analizator Particle Counter firmy AVL [9], − pomiar wielkości i masy cząstek stałych – mobilny analizator 3090 EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer™ Spectrometer) firmy TSI Incorporated [10]. Charakterystykę emisji składników gazowych i emisji cząstek stałych przeprowadzono przy uwzględnieniu liczby cząstek stałych oraz ich rozkładu wymiarowego. Pomiary liczby cząstek stałych miały na celu określenie liczby cząstek emitowanych w danym punkcie pracy silnika. Pomiarów dokonano bez obciążenia dla zimnego i ciepłego rozruchu silnika oraz dla stałych prędkości obrotowych silnika 600, 1000, 1500 oraz 2000 obr/min. W dalszej części artykułu przedstawiono wyniki badań emisji składników gazowych i cząstek stałych w punktach odpowiadających testowi ISO 8178 cykl F, który jest stosowany podczas badań pojazdów szynowych. Określono rozkład wymiarowy cząstek stałych dla powyższych punktów pracy silnika. Rezultaty przedstawiono w postaci charakterystyki widmowej emisji rozkładu wymiarowego cząstek stałych oraz wielkości uśrednionych (w czasie pomiaru) poszczególnych rozkładów wielkości cząstek: pola powierzchni oraz masy. Masę cząstek stałych obliczano, przyjmując że gęstość cząstek stałych jest niezależna od ich średnicy charakterystycznej (aerodynamicznej) i wynosi 1 g/cm3. 3. Badania emisji spalin podczas rozruchu i biegu luzem silnika ciągnika Zimny rozruch silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym jest główną przyczyną wysokiej emisji składników toksycznych spalin (rys. 2). Emisja godzinowa tlenku węgla jest o 50% wyższa w przypadku zimnego rozruchu silnika w stosunku do silnika nagrza nego. Wyższa jest również emisja węglowodorów (o 30%). Emisja tlenków azotu wzrasta o 100%, co jest 26 160 147 CO [g/h] 140 129 HC [g/h] 120 117 NOx [g/h] 103 100 CO2 [kg/h] 80 60 51 56 49 34 40 20 26 17 12 5,2 4,3 3,2 3,7 11 3,8 6,4 3,4 8,2 7,2 12,6 14,3 16,4 0 zimny ciepły 600 obr/min 1000 obr/min Rozruch 1500 obr/min 2000 obr/min Bieg luzem Rys. 2. Emisja godzinowa składników gazowych i zużycie paliwa podczas rozruchu i biegu luzem silnika ciągnika szynowodrogowego W dalszej części przedstawiono wyniki z badań emisji cząstek stałych podczas zimnego i ciepłego rozruchu silnika. Wynika z niego, że emisja cząstek stałych podczas zimnego rozruchu jest o 25% większa niż przy rozruchu ciepłym (rys. 3). Wzrost wydatku spalin przy wyższych prędkościach obrotowych powoduje, że wraz z nim wzrasta emisja cząstek stałych. Liczba cząstek stałych wzrasta szybciej niż emisja masowa PM, co ma związek z większą liczbą małych cząstek podczas większej prędkości obrotowej silnika. 6 6E+11 PM 5 4,9 PN 4,4 3,8 4 4E+11 3,1 3 3,0E+11 2,5 2,0 2 1,1E+11 3E+11 2E+11 1,0E+11 1 5E+11 4,7E+11 1,2E+11 1E+11 6,7E+10 0 Liczbna cząstek PN [cm-3] Lp. 1. Emisja godzinowa [g/h] Tabela 1 związane z większą dawką rozruchową. Zużycie paliwa, które jest odpowiednikiem emisji dwutlenku węgla w czasie zimnego rozruchu wzrasta o 40%. Podczas zwiększania prędkości obrotowej silnika (bez obciążenia) wzrasta emisja wszystkich składników szkodliwych. Całkiem nowym zagadnieniem dotychczas niepublikowanym w Polsce jest emisja cząstek stałych w rzeczywistych warunkach ich ruchu pojazdów szynowych. Emisja godzinowa PM [g/h] Parametry techniczne silnika spalinowego ciągnika szynowo-drogowego [4] 0E+00 zimny ciepły Rozruch 600 obr/min 1000 obr/min 1500 obr/min 2000 obr/min Bieg luzem Rys. 3. Średnie wartości masy i liczby cząstek stałych emitowanych podczas rozruchu i biegu luzem silnika Biorąc pod uwagę rozkłady cząstek stałych, należy zauważyć, że zmiana warunków pracy silnika (od rozruchu poprzez wzrost prędkości obrotowych) nie prowadzi do zmiany rozkładu wymiarowego cząstek stałych (rys. 4). Największa liczbą cząstek stałych przy pada na zakres około 10 nm i wynosi około 30 000 cm–3. Wpływ zmiany prędkości obrotowej jest zauważalny dopiero przy n = 1000 obr/min: znaczenia zaczyna nabierać liczba cząstek o średnicy 50–100 nm. Wpływ warunków pracy silnika na rozkład poPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 wierzchniowy cząstek stałych jest klasyczny, czyli ze wzrostem średnicy cząstek wzrasta ich powierzchnia osiągając maksimum dla cząstek powyżej 500 nm. Jednakże należy zauważyć, że ze wzrostem obciążenia zaczyna wzrastać powierzchnia cząstek o średnicach około 100 nm. Tak wyraźnej zależności nie odnotowano dla liczby cząstek w tym przedziale wymiarowym. Nie odnotowano różnic między rozkładem powierzchniowym PM podczas rozruchu i ustalonego biegu jałowego (n = 600 obr/min). W pozostałych przypadkach wzrost prędkości obrotowej i obciążenia powoduje wzrost powierzchni cząstek stałych o około 100% przy ustalonej średnicy w zakresie 100 nm. Przy większych średnicach cząstek stałych zmiany nie występują. Znacznie mniejsze zmiany występują w rozkładach objętościowych i masowych PM w różnych warunkach pracy silnika. Zauważalne zmiany (rzędu kilku procent) dotyczą jedynie średnic cząstek stałych o wartościach 100 nm. W pozostałych przedziałach nie odnotowano zmian rozkładów przy zmiennych warunkach pracy silnika ciągnika szynowo-drogowego. 40000 -3 dN/dlog(Dp) [cm ] Rozkład liczby PM 30000 20000 10000 0 Rozkład powierzchni PM 1,6E+08 2 3 dS/dlog(Dp) [nm /cm ] 2,0E+08 1,2E+08 Uwzględniając powyższe wyniki badań w zakresie emisji składników szkodliwych spalin wyznaczono wskaźniki ekologiczne ciągnika szynowo-drogowego. Wykorzystano do tego celu badania podczas prób torowych, określając wartości emisji spalin w punktach testu ISO 8178-F. Pomimo, że silnik nie ma zastosowania jako źródło napędu typowych pojazdów szynowych badania właśnie według tego testu, a wartości emisji odniesiono do limitów UIC 624. Dane techniczne badanego silnika zawierają informacje o spełnieniu przez niego normy Euro IIIA oraz Tier 3 [3]. Ze względu na spełnianie normy Euro IIIA jej limity również zamieszczono na wykresie (rys. 5). Należy jednak zauważyć, że limit ten dotyczy badań wykonanych w teście ISO 8178-C1. Cykl C1 dotyczy testu 8-fazowego, a nie jak wspomniano wyżej cyklu F (test 3-fazowy). Z tego względu na wykresie przekroczone są limity tej normy (pomimo spełnienia jej przez silnik). Zamieszczenie tych limitów jest o tyle ważne, że silnik posiada niewielką wartość emisji składników szkodliwych i obecne normy UIC spełniane są dla wszystkich składników toksycznych w teście ISO 8178-F. Przeprowadzone badania wskazują na możliwości znacznych oszczędności w zużyciu paliwa podczas pracy manewrowej tego typu pojazdów w porównaniu do spalinowych lokomotyw manewrowych. Zużycie paliwa na biegu jałowym wynosi 4,1 dm3/100 km (przeliczeniowe), przy 50-procentowym obciążeniu wartość ta wynosi 15,3 dm3/100 km oraz 31,2 dm3/100 km przy pełnym obciążeniu. 18 4,0E+07 15 Emisja CO, HC, NOx [g/kW·h] 8,0E+07 0,0E+00 1,6E+10 Rozkład objętości PM 3 dV/dlog(Dp) [nm /cm ] 4. Badania emisji spalin zgodnie z testem ISO 8178F CO HC 12,0 12 NOx HC+NOx 9 5,2 6 3 3 1,2E+10 16,0 Ciagnik szynowo-drogowy 4,0 1,1 0,3 4 3,5 3,0 1,6 0,8 0 8,0E+09 Ciagnik szynowo-drogowy Crystal 13 4,0E+09 ORE B13 od 1991 UIC 624 Euro IIIA Rys. 5. Wartości emisji składników toksycznych ciągnika szynowo-drogowego na tle norm emisji spalin 0,0E+00 1 10 100 1000 Dp [nm] Rozkład masy PM Rozruch zimny Rozruch ciepły 3 dM/dlog(Dp) [mg/cm ] 16 12 Bieg jałowy 1000 obr/min 1500 obr/min 2000 obr/min 8 Obciążenie 0% Obciążenie 50% 4 Obciążenie 100% 0 1 10 100 1000 Dp [nm] Rys. 4. Rozkłady wielkości cząstek stałych: liczbowy, powierzchniowy, objętościowy oraz masowy POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Wyznaczone wartości emisji spalin pozwoliły na oszacowanie możliwości zastąpienia spalinowych lokomotyw manewrowych ciągnikami szynowodrogowymi. Poniższa analiza przedstawia możliwość zastąpienia lokomotyw manewrowych na przykładzie lokomotywy SM42 specjalnymi pojazdami szynowymi (w tym przypadku ciągnikiem szynowodrogowym). Zalety specjalnych pojazdów szynowodrogowych w porównaniu z lokomotywami manewrowymi to: 27 − trzykrotnie niższa cena zakupu ciągnika szynowodrogowego w stosunku do ceny najtańszej lokomotywy manewrowej, − sześciokrotnie niższe koszty eksploatacji ciągnika, − trzykrotnie wyższe właściwości trakcyjne, − możliwość prowadzenia pojazdów bez uprawnień kolejowych na bocznicach własnych, − możliwość zmechanizowania prac porządkowych infrastruktury kolejowej lub tramwajowej, − możliwość adaptacji używanych pojazdów drogowych na pojazdy szynowo-drogowe. Ciągnik szynowo-drogowy Orion C13 produkowany przez spółkę Crystal Traktor z Sieradza, spełnia następujące wymagania [1]: − dopuszczalna ilość wagonów holowanych z przodu na torze poziomym: 6 (z hamulcami pneumatycznymi) oraz 3 (bez hamulców), − dopuszczalna ilość wagonów holowanych z tyłu na torze poziomym: 9–10 (z hamulcami pneumatycznymi) oraz 4–5 (bez hamulców), − dopuszczalna prędkość jazdy po torze prostym z wagonami: 10 km/h (z hamulcami pneumatycznymi) oraz 5 km/h (bez hamulców), − dopuszczalna prędkość jazdy po łukach i rozjazdach: 5 km/h, − maksymalna prędkość na torze: 20 km/h. Wartości emisji składników szkodliwych wraz z emisją cząstek stałych ciągnika szynowo-drogowego zestawiono z badaniami lokomotywy manewrowej SM42 [2, 7] (rys. 6). Symulacje przeprowadzono przy założeniu, że ciągnik szynowo-drogowy ma pięciokrotnie zwiększone czasy przetoków (zmniejszenie dopuszczalnej liczby ciągniętych wagonów wymusza pięciokrotny wzrost czasu pracy ciągnika). 3,5 Emisja CO, HC, NOx, PM [kg/h] SM42-ON 3,0 Orion C13 Praca manewrowa 3,12 5-krotny wzrost czasów pracy ciagnika szynowego 2,5 1,5 -70% -82% -92% 2,0 -95% 1,36 1,0 0,75 0,57 0,5 0,11 0,07 0,03 0,02 0,0 CO HC NOx PM Rys. 6. Zestawienie emisyjności lokomotywy SM42 i ciągnika szynowo-drogowego w warunkach pracy manewrowej Literatura Analiza pracy lokomotywy i ciągnika szynowodrogowego wykazuje znaczne oszczędności emisji spalin do atmosfery wszystkich składników szkodliwych. Minimalne zmniejszenie emisji składników szkodliwych to wartość około 70% (dotyczy cząstek stałych; pozostałe składniki szkodliwe ograniczane są w większym stopniu). Oznacza to, że pomimo wydłużenia czasu pracy ciągnika szynowego możliwe jest zaoszczędzenie podczas 2 godzin pracy lokomotyw SM42: ponad 2 kg CO, 1,5 kg węglowodorów oraz 5 kg tlenków azotu oraz 100 g cząstek stałych. Dla porównania emisja godzinowa cząstek stałych z pojazdu samochodowego (w teście jezdnym) wynosi około 2 g/h. Największe zyski ekologiczne dotyczą emisji węglowodorów – 25-krotne zmiany na korzyść pojazdów specjalnych (ciągnika szynowego). Emisja tlenku węgla może zostać ograniczona 12-krotnie. Na uwagę zasługuje fakt ponad 3-krotnego obniżenia emisji cząstek stałych. Zmiany te uwzględniają wydłużony czas pracy specjalnego pojazdu szynowego (5-krotny wzrost czasu powoduje przedstawione korzyści – skrócenie tego czasu będzie skutkowało wzrostem stopnia ekologiczności tych zmian, który będzie rozumiany jako krotność zysku ekologicznego). 5. Wnioski 1. Zmiana prędkości obrotowej silnika na biegu luzem (bez obciążenia) znacząco wpływa na zmianę stężenia składników gazowych spalin. Emisja cząstek stałych wzrasta o 25% podczas zimnego rozruchu (w porównaniu do rozruchu ciepłego silnika). 2. Analiza liczby cząstek stałych w zakresie zmian prędkości obrotowej silnika na biegu luzem silnika wskazuje na występowanie maksymalnej liczby cząstek o wymiarach około 10 nm dla każdej badanej prędkości obrotowej. 3. Charakterystyki rozkładu wymiarowego liczby cząstek stałych wykazują istnienie maksimum liczby cząstek o średnicy w zakresie 100 nm, jednak maksymalne wartości powierzchni, objętości i masy dotyczą cząstek stałych o średnicy ponad 500 nm. 4. Zastąpienie spalinowych lokomotyw manewrowych ciągnikami szynowo-drogowymi pozwoliłoby na 3krotne obniżenie emisji PM, 12-krotne zmniejszenie emisji HC oraz 25-krotne obniżenie emisji tlenku węgla. [1] B r o d o w s k i Z., Traktorem po torach, Czasopismo Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, Wydawnictwo ITER, 7/8(10/11), 2008. [2] M a r c i n i a k Z., P i e l e c h a I., Próby i badania silników spalinowych lokomotyw i lekkich pojazdów szynowych w aspekcie poprawy ich parametrów eksploatacyjnych, XVIII Konferencja Naukowa „Pojazdy Szynowe”, Katowice-Ustroń 2008. [3] Materiały firmowe AGCO SISU Power, 3rd Generation Series 4-Cylinder Diesel Engine, agcosisupowercom-bin.directo.fi. [4] Materiały firmy Crystal Traktor sp. z o.o., www.traktor.pl. 28 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 [5] [6] [7] [8] [9] [10] M e r k i s z J., P i e l e c h a J., G i s W., Gaseous and Particle Emissions Results from Light Duty Vehicle with Diesel Particle Filter, SAE Technical Paper 2009-01-2630. M e r k i s z J., P i e l e c h a J., Analysis of Particle Concentrations and Smoke in Common-Rail Diesel Engine, SAE Technical Paper 2008-01-1743. P i e l e c h a I., C z e r w i ń s k i J., Sprawozdanie z badania emisji składników toksycznych spalin silnika lokomotywy spalinowej SM42 nr 2508, Opracowanie SB-2277, Praca IPS „Tabor”, Poznań 2006. S h a h i n i a n V.D., SENSORS tech-ct Update Application Software for SEMTECH Mobile Emission Analyzers, Sensors 4th Annual SUN (SEMTECH User Network) Conference, Anna Arbor 2007. www.avl.com: AVL Particle Counter. www.tsi.com: TSI Incorporated, Engine Exhaust Particle Sizer – 3090. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 29 dr inż. Grażyna Barna mgr inż. Maksymilian Cierniewski dr inż. Marian Kaluba Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Układ przeciwpoślizgowy przy hamowaniu dla szynowych pojazdów trakcyjnych W artykule przedstawiono budowę i zasadę działania układu przeciwpoślizgowego wykorzystującego sterownik 88ZE-01 opracowany w Instytucie Pojazdów Szynowych „TABOR”. Przedstawiono budowę sterownika oraz jego opis funkcjonalny. Zaprezentowano wyniki działania sterownika. Przedstawiono propozycję dalszych prac nad układem przeciwpoślizgowym. Artykuł powstał w ramach projektu celowego „Mikroprocesorowy system przeciwpoślizgowy dla trakcyjnych pojazdów szynowych spełniający wymagania unijnych Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności” N R10 0046 06/2009 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego 1. Wstęp Nadmierny poślizg zestawów kołowych pojazdu szynowego podczas hamowania jest zjawiskiem wysoce niekorzystnym. Na skutek takiego poślizgu dochodzi do uszkodzeń powierzchni tocznej zestawów kołowych (pęknięcia termiczne i wykruszenia na powierzchni tocznej koła). W przypadku, gdy nie zostaną przeprowadzone działania zaradcze, może nastąpić nawet zablokowanie zestawów kołowych. Blokada kół oprócz powstania płaskich miejsc na powierzchni koła powoduje również zmniejszenie momentu hamującego pojazd. Dlatego koniecznym jest wyposażanie nowych pojazdów trakcyjnych o wysokiej skuteczności hamowania w układy, mające za zadanie wykrywanie i likwidację poślizgu zestawów kołowych [1, 2, 5]. Tematem niniejszego artykułu jest układ realizujący funkcję autonomicznego wykrywania i likwidacji poślizgu przy hamowaniu pojazdu trakcyjnego. Układ ten, oparty na opracowanym w IPS Tabor sterowniku przeciwpoślizgowym 88ZE-01, został zainstalowany i przetestowany na lokomotywie 6Dk. 2. Budowa i zasada działania układu przeciwpoślizgowego Spalinowa lokomotywa manewrowa typu 6Dk, na której został zabudowany sterownik przeciwpoślizgowy 88ZE-01 posiada dwa wózki dwuosiowe. Każdy z wózków lokomotywy wyposażony jest w cztery cylindry hamulcowe. Para cylindrów oddziałuje na klocki hamulcowe jednego zestawu kołowego pojazdu. Pomiar prędkości odbywa się przy pomocy aktywnych czujników reluktancyjnych, zabudowanych na każdym zestawie kołowym. Sygnały z czujników prędkości podawane są na wejścia pomiarowe sterownika 88ZE01. Na podstawie otrzymanych sygnałów określane są 30 prędkości obrotowe i poślizgi względne poszczególnych zestawów kołowych pojazdu trakcyjnego. Lokomotywa jest wyposażona w cztery zawory przeciwpoślizgowe. Każdy zawór przeciwpoślizgowy steruje parą cylindrów hamulcowych, odpowiedzialnych za hamowanie jednej osi. Sterowanie zaworami odbywa się po wykryciu poślizgu wg algorytmu zrealizowanego z wykorzystaniem logiki rozmytej za pomocą dwóch sygnałów: ZO – odcięcie zasilania powietrzem cylindrów hamulcowych oraz ZL – odpowietrzenie cylindrów hamulcowych do atmosfery. Dzięki odpowiedniej kombinacji tych sygnałów możliwe jest opróżnianie cylindrów hamulcowych, popełnianie cylindrów i utrzymanie ciśnienia cylindrowego na dowolnym poziomie w procesie opróżniania i popełniania cylindra. Schemat układu przeciwpoślizgowego lokomotywy 6Dk przedstawiono na rys. 1. Sterownik przeciwpoślizgowy 88ZE-01 otrzymuje po sieci CAN pojazdu informacje o stanie pojazdu (jazda, hamowanie, wybieg), co w połączeniu z sygnałami z czujników prędkości, umożliwia wykrycie poślizgów występujących w trakcie hamowania lub rozruchu pojazdu. W przypadku wykrycia poślizgu przy hamowaniu, sterownik tak steruje zaworami przeciwpoślizgowymi, aby uzyskać maksymalne wykorzystanie przyczepności pomiędzy kołem a szyną. Poślizg podczas rozruchu likwidowany jest wg innego algorytmu: najpierw poprzez selektywne podhamowanie przeciwpoślizgowe i piaskowanie a w razie nie zlikwidowania poślizgu w określonym czasie dodatkowo poprzez zmniejszenie momentu rozruchowego pojazdu realizowane poprzez sterownik główny pojazdu po przesłaniu tej informacji do niego po sieci CAN. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 ZPP1 Cylindry hamulcowe Sieć CAN pojazdu z zaworu rozrządczego CP1 Z1O Z1L Klocki hamulcowe Zasilanie 24VDC V1 Przetwornica 24VDC/24VDC V2 Klocki hamulcowe Cylindry hamulcowe Sterown 88ZE- Z2L Z2O CP2 diagnostyka RS232 V3 V4 Klocki hamulcowe Cylindry hamulcowe komunikacja RS232 wyjścia pomocnicze wyjścia cyfrowe Zawory elektropneumatyczne Komputer serwisowy Rys. 2. Podłączenie sterownika układu przeciwpoślizgowego Z3O Z3L Klocki hamulcowe Wejścia licznikowe Sygnały pomocnicze Sterownik 88ZE-01 ZPP3 CP3 Konwerter RS232/CAN Mikroprocesorowy sterownik układu przeciwpoślizgowego ZPP2 Cylindry hamulcowe Czujniki prędkości obrotowej Z4L Z4O CP4 CAN PJ prostokątnej, co umożliwia podanie sygnału bezpośrednio do wejść cyfrowych, bez konieczności stosowania układów formujących impulsy wejściowe. Napięcie zasilające czujniki jest uzyskiwane z wewnętrznej przetwornicy sterownika. Obwód zasilania czujników jest zabezpieczony przed zwarciem i przeciążeniem. 3.3. Sygnały sterujące zaworami ZPP4 Rys. 1. Schemat blokowy układu przeciwpoślizgowego 3. Budowa sterownika 88ZE-01 3.1. Wstęp Sterownik mikroprocesorowy jest konstrukcją opracowaną w IPS „Tabor”. Oparty jest na systemie sterowania rozproszonego, wykonanego na procesorach z rdzeniem ARM, komunikujących się między sobą z użyciem wewnętrznej magistrali. Takie rozwiązanie umożliwiło przeniesienie części algorytmu sterującego do bloków wejścia/wyjścia, odciążając główny procesor. Jednocześnie możliwa jest realizacja kontroli nad wykonaniem algorytmu. W przypadku „zawieszenia się” głównego procesora, procesor pomocniczy generuje sprzętowy sygnał, wymuszający restart głównego procesora. Podłączenie sterownika na pojeździe trakcyjnym zostało przedstawione na rys. 2. 3.2. Sygnały z czujników prędkości Sterownik jest przystosowany do współpracy z reluktancyjnymi czujnikami prędkości. Czujniki te powinny być aktywne, o wyjściu napięciowym i znamionowym napięciu zasilania 24V. Czujniki takie charakteryzują się sygnałem wyjściowym o obwiedni POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Sterownik wyposażony jest w łączniki elektroniczne, umożliwiające bezpośrednie sterowanie cewkami elektrozaworów przeciwpoślizgowych napięciem 24 V, uzyskiwanym z wewnętrznej przetwornicy. Łączniki posiadają zabezpieczenie przed zwarciem i przeciążeniem oraz detekcję możliwych stanów awaryjnych w obwodzie cewek zaworów przeciwpoślizgowych (przeciążenie, zwarcie, przerwa). 3.4. Współpraca z siecią CAN pojazdu Sterownik 88ZE-01 kontaktuje się po magistrali CAN ze sterownikiem pojazdu przy pomocy konwertera RS232/CAN. Po magistrali CAN przekazywane są sygnały umożliwiające poprawną pracę sterownika, takie jak informacja o wartości prądu trakcyjnego (jazda) i informacja o ciśnieniu w cylindrach hamulcowych (hamowanie). Sterownik generuje szczegółowe dane o wystąpieniu poślizgu i ewentualnych awariach. Przesyłane są również dane przydatne przy diagnostyce układu przeciwpoślizgowego. 4. Opis funkcjonalny sterownika 88ZE-01 Mikroprocesorowy układ przeciwpoślizgowy typu 88ZE-01 dokonuje pomiaru chwilowej prędkości obrotowej każdego zestawu kołowego lokomotywy. Na podstawie pomiarów, informacji o stanie pojazdu i 31 wykryciu ewentualnego poślizgu poszczególnych zestawów kołowych działanie układu likwiduje poślizg. W trakcie hamowania pojazdu poślizg likwidowany jest autonomicznie, z wykorzystaniem zaworów przeciwpoślizgowych, zasilanych bezpośrednio ze sterownika. Wykrywanie i likwidacja poślizgu przy hamowaniu odbywa się w oparciu o kilkanaście kryteriów prędkościowych i przyspieszeniowych, właściwych dla skuteczności układu hamulcowego danego typu pojazdu [1, 3]. Do likwidacji poślizgów w trakcie jazdy dodatkowo wymagana jest współpraca ze sterownikiem pojazdu i tablicą pneumatyczną. Układ przeciwpoślizgowy podczas likwidacji poślizgu przy rozruchu selektywne oddziałuje na cylindry hamulcowe zestawów kołowych będących w poślizgu, napełniając je do ciśnienia podhamowania. Algorytmy zastosowane w sterowniku bazują na wieloletnich doświadczeniach zdobytych podczas badań, przeprowadzonych przez IPS „Tabor” na wielu pojazdach trakcyjnych [3, 4]. W ramach realizacji algorytmu układu przeciwpoślizgowego sterownik 88ZE-01 realizuje następujące funkcje [3, 4]: – pomiar prędkości obrotowych poszczególnych osi pojazdu, – wyłączenie niesprawnych czujników prędkości, – korekcja średnic kół pojazdu, – wyznaczanie prędkości i przyspieszeń obwodowych kół, – wyznaczanie prędkości referencyjnej pojazdu, – wykrywanie i likwidacja poślizgu przy hamowaniu, – wykrywanie poślizgu podczas rozruchu, – selektywne podhamowanie zestawów kołowych, – piaskowanie szyn podczas poślizgu w trakcie hamowania lub rozruchu pojazdu, – likwidacja poślizgu podczas rozruchu we współpracy z innymi układami pojazdu. Dodatkowo istnieje możliwość wywołania przez obsługę, przy pomocy przycisków, wewnętrznych procedur testujących, umożliwiających sprawdzenie prawidłowości podłączenia i działania czujników prędkości i zaworów przeciwpoślizgowych. Kod błędu odczytywany jest z wyświetlacza, umieszczonego na sterowniku 88ZE-01. Niezależnie od tego, powyższa kontrola odbywa się również w sposób automatyczny w czasie rzeczywistym. Każdy wykryty błąd jest przesyłany poprzez sieć CAN do sterownika głównego pojazdu, w celach diagnostycznych. Algorytm reaguje na niektóre istotne uszkodzenia układu przeciwpoślizgowego, wyłączając poszczególne osie pojazdu z ochrony przeciwpoślizgowej. 32 5. Badania sterownika Testy układu przeciwpoślizgowego wykonane zostały na lokomotywie 6Dk. W ramach testów dokonano m.in. prób poślizgu przy hamowaniu na torze pokrytym substancją zmniejszającą przyczepność pomiędzy kołem a szyną. Wyniki badań zostały zarejestrowane przy pomocy aplikacji diagnostycznej, opracowanej w IPS „Tabor” [6]. Na rys. 3 do 5 przedstawiono wykresy, obrazujące wielkości charakterystyczne podczas hamowania pojazdu: prędkości obwodowe zestawów kołowych, przyspieszenia obwodowe kół zestawów kołowych, a także stan zaworów przeciwpoślizgowych. Rys. 3. Przykładowe działanie układu przeciwpoślizgowego przy hamowaniu Rys. 4. Przykładowe działanie układu przeciwpoślizgowego przy hamowaniu POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 6. Wnioski Rys. 5. Przykładowe działanie układu przeciwpoślizgowego przy hamowaniu Stan zaworów przeciwpoślizgowych jest definiowany w następujący sposób: +3 – napełnianie cylindra hamulcowego (stan spoczynkowy zaworu), –3 – odpowietrzanie cylindra hamulcowego. Stany pośrednie odpowiadają odpowiednim możliwym do zrealizowania przez zawory upustowe gradientom upuszczania lub napełniania cylindrów hamulcowych. Na wykresach zauważyć można bardzo szybką reakcję układu przeciwpoślizgowego na występujące znaczne poślizgi poszczególnych zestawów kołowych. Układ nie dopuszcza do zablokowania kół nawet dla małych prędkości jazdy, utrzymując jednocześnie stałe opóźnienie niewiele różniące się od zadanego, co zapewnia dużą skuteczność hamowania pojazdu nawet w pogorszonych warunkach przyczepności kół. Właściwe działanie układu przeciwpoślizgowego w całym zakresie prędkości zapewnione jest z jednej strony przez właściwy algorytm sterowania zaworami przeciwpoślizgowymi oparty na logice rozmytej, a z drugiej strony przez właściwe zestrojenie kryteriów układu i parametrów zaworów upustowych z parametrami pojazdu oraz jego układu hamulcowego [1, 3]. Dalsze prace nad układem przeciwpoślizgowym będą miały za cel jego dalszą optymalizację, tak, aby z jednej strony nie dopuszczał do nadmiernego poślizgu, a z drugiej strony zapewnił maksymalną wartość siły trakcyjnej oraz hamowania. Literatura [1] B a r n a G., Układ sterowania rozmytego do likwidacji poślizgu przy hamowaniu, Pojazdy Szynowe nr 3/2002. [2] B a r n a G., K a l u b a M., Matematyczny model pojazdu szynowego i jego zastosowanie do symulacji działania układu przeciwpoślizgowego, Pojazdy Szynowe nr 1/2003. [3] B a r n a G., S t y p k a M., Mikroprocesorowy układ wykrywania i likwidacji poślizgu przy hamowaniu, X Jubileuszowa Ogólnopolska Konferencja Naukowa Trakcji Elektrycznej SEMTRAK 2002, Zakopane 2002. [4] B a r n a G., S t y p k a M., Układ wykrywania i likwidacji poślizgu dla zmodernizowanej lokomotywy spalinowej ST44, Materiały Konferencyjne XVII Konferencja Naukowa ,,Pojazdy Szynowe 2006”, Kazimierz Dolny 2006 [5] B o i t e u x M., Le problème de l’adhérence en freinage, Revue Générale des Chemins de Fer, nr 105, 1986. [6] H a b a M., Programy wspomagające uruchamianie mikroprocesorowych systemów sterowania w pojazdach szynowych, Pojazdy Szynowe, 2/2007. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 33 mgr inż. Andrzej Chojnacki mgr inż. Sławomir Walczak Instytut Kolejnictwa Badania bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze. Porównanie wymagań wg ORE, PN-EN i TSI. W artykule, zaprezentowano sposoby oceny bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze. Przybliżono metody badań jakie obowiązują wg PN-EN i ORE, ze szczególnym uwzględnieniem różnic występujących pomiędzy dokumentami w tych metodach. Odniesiono się również do wymagań zawartych w przepisach TSI dla wagonów towarowych, pojazdów konwencjonalnych i taboru dużych szybkości 1. Wstęp Podczas eksploatacji pojazdów szynowych zauważono, że znaczna część wykolejeń następuje w czasie przejazdu przez łuki z przechyłką oraz rozjazdy. Do oceny zjawiska wprowadzono pojęcie bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym (zwichrowanym) torze. Jako miarę sytuacji wykolejenia spowodowaną wspinaniem się obrzeża koła na szynę przyjęto maksymalny iloraz siły poprzecznej do siły pionowej wg kryterium Nadala [1] (Y / Q) lim (1) 2. Podobieństwa i różnice w badaniu bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze zawarte w normie PN-EN 14363 i ORE B55 RP 8 Norma PN-EN 14363 [1] obowiązuje dla wszystkich pojazdów szynowych. Uwzględnia ona również przypadki badania pojazdów wyposażonych w usprężynowanie pneumatyczne, jak i podaje metody badania pojazdów przegubowych ze wspólnym wózkiem umieszczonym pomiędzy członami. Odnosi się także do badania pojazdów wyposażonych w więcej niż dwa stopnie usprężynowania. Raport ORE B55 RP8 [2] formalnie dotyczy tylko badania wagonów towarowych. 2.1. Metody badań podane w normie i raporcie W normie PN-EN 14363 [1] podano 3 metody badań bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze, tj.: • metoda 1 – badanie na zwichrowanym torze, • metoda 2 – badanie na specjalnym stanowisku do badania wichrowania i torze badawczym bez przechyłki, • metoda 3 – badanie na specjalnym stanowisku do badania wichrowania i stanowisku do pomiaru skrętu. 34 W Raporcie ORE B55 RP 8 [2] podano 2 metody badań, tj.: • metoda 1 – badanie na zwichrowanym torze, • metoda 2 – badanie na specjalnym stanowisku do badania wichrowania i torze badawczym bez przechyłki. Już na pierwszy rzut oka można zauważyć, że norma [1] dopuszcza więcej metod badania bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze niż raport [2]. 2.2. Podobieństwa i różnice badań pojazdów występujące w metodzie 1 - badanie na zwichrowanym torze badawczym Zgodnie z metodą 1, opisaną w PN-EN 14363 [1], ocenę bezpieczeństwa jazdy przeciw wykolejeniu należy przeprowadzić dokonując pomiarów pionowej i poprzecznej siły podczas przejazdu przez zwichrowany tor. 2.2.1. Tor badawczy Zgodnie z normą PN-EN 14363 [1] oraz raportem ORE B55 RP 8 [2] podczas przejazdu przez tor badawczy z wichrowatością należy przeprowadzić pomiary następujących wielkości: • sił prowadzących na wewnętrznym i zewnętrznym kole badanego zestawu kołowego Yi i Ya; • sił pionowego nacisku na wewnętrznym i zewnętrznym kole badanego zestawu kołowego Qi, Qa, • uniesienia koła prowadzącego ∆z badanego zestawu w całym łuku. Dodatkowo norma [1] zaleca wykonanie pomiarów kąta nabiegania zestawu prowadzącego α, który jest niezbędny do określenia warunków tarcia (w trakcie badań współczynnik tarcia musi być co najmniej 80% wartości oczekiwanej dla suchej szyny). Raport ORE B55 RP 8 [2] stawia również wymagania przeprowadzenia testów w warunkach o dużym współczynniku tarcia. Zaleca on przed przeprowaPOJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 dzeniem badań specjalnie przygotować tor, tzn. na początku przemyć go środkiem chemicznym (rozpuszczalnikiem), a następnie posypać piaskiem i go zmieść z toru. Dokumenty [1] i [2] podają, że wichrowatość toru należy realizować poprzez zmianę wysokości położenia szyny zewnętrznej. Parametry toru badawczego, wymienione w [1] i [2], są takie same tj.: - promień łuku R = 150 [m], - odcinek zwichrowanego toru ze stałym promieniem łuku i wichrowatością g = 3 [‰]. Raport ORE [2] nie precyzuje lokalizacji miejsc pomiarowych, natomiast norma [1] zezwala, aby urządzenia rejestrujące siły kontaktu zostały umieszczone na szynie lub na pojeździe. Lokalizacja urządzeń do pomiaru sił, w przypadku gdy pomiar sił realizowany jest za pomocą urządzeń umieszczonych w torze, musi spełniać, zgodnie z normą [1], warunki przedstawiono na Rys. 1. <3[m] Strefa 1 >3 [m] Strefa 2 Kierunek jazdy <1,5[m] <2a* >(2a++2a*+1,5) g = 3[‰] Strefa 3 <3[m] Rys. 1. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych na torze badawczym z przechyłką 2.2.2. Przygotowanie pojazdu do badań Zgodnie z normą PN-EN 14363 [1] oraz raportem ORE B55 RP 8 [2] badanie powinno być tak zaplanowane, aby koło prowadzące na zewnętrznej szynie łuku było kołem o najmniejszej sile pionowego nacisku. Graniczne wichrowatości pojazdu o bazie 4,5 [m] ? 2a* < 20,0 [m] podane w normie [1] i raporcie [2] są takie same, natomiast norma [1] dodatkowo podaje zależności dla pojazdów o większej bazie 2a* ? 20 [m]. Jeżeli badana wichrowatość pojazdu jest większa niż 3 [‰] to, zgodnie z [1] i [2], należy w odpowiedni sposób wprowadzić dodatkową wichrowatość w obrębie pojazdu. Dokonuje się tego poprzez dodatkowe pionowe uniesienie pojazdu np. przez umieszczenie podkładek pod sprężynami I-go i II-go stopnia usprężynowania. Raport [2] nie podaje metody wyliczenia podkładek i sposobu ich rozmieszczenia, natomiast w normie [1] podano wzory służące do wyznaczenia dodatkowego pionowego uniesienia i grubości podkładek. Na Rys. 2. przedstawiono schemat umieszczenia podkładek na pojeździe w celu zwiększenia jego wichrowatość. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Podkładki dla zwichrowania wózka Podkładki dla zwichrowania nadwozia Rys. 2. Schemat usytuowania podkładek zwiększających wichrowatość w pojeździe W przypadku, gdy koło prowadzące nie jest kołem o najmniejszej sile pionowego nacisku, należy umieścić podkładki pod sprężynami doprowadzając do sytuacji, gdzie koło prowadzące będzie wykazywało najmniejszą siłę pionowego nacisku. Zgodnie z [1] i [2] prędkość przejazdu przez łuk powinna być stała i nie powinna przekraczać V < 10 km/h. W trakcie badań należy wykonać minimum 3 przejazdy, podczas których uniesienie koła zewnętrznego zestawu prowadzącego ∆z powinno być rejestrowane w sposób ciągły. Norma [1] precyzuje jak należy prowadzić rejestrację pomiarów, tzn. podaje, że dla każdej sekcji pomiarowej powinno się zarejestrować wartość (Y/Q)a, (Y/Q)i i α na zestawie prowadzącym. 2.2.3. Wielkości oceniane Zgodnie z [1] i [2] pojazd jest uważany za bezpieczny jeżeli podczas przejazdu po wichrowatym torze, jest spełniony warunek (1) w każdym badaniu. W przypadku gdy wartość (Y/Q)lim > 1,2 można dokonać ponownego sprawdzenia zachowania się pojazdu poprzez sprawdzenie czy warunek (2) jest zachowany: ∆z max ≤ ∆z lim = 5 [mm] (2) Raport ORE B55 RP 8 [2] uważa pojazd za bezpieczny podczas przejazdu przez wichrowaty tor po spełnieniu (2). Natomiast zgodnie z normą PN-EN 14363 [1] dodatkowo pojazd musi spełniać następujące warunki: • kąt obrzeża nie przekracza 70° w żadnym położeniu na profilu koła (profil koła powinien być zarejestrowany i dodany do sprawozdania z badań), • powinno być udokumentowane, że obrzeże zewnętrznej szyny jest suche i żadne pozostałości smaru nie są tam obecne. 2.3. Podobieństwa i różnice badań pojazdów występujące w metodzie 2 - badanie na stanowisku do wichrowania i torze badawczym bez wichrowatości.W tej metodzie obliczenie współczynnika (Y/Q)a opiera się na pomiarze spadku siły pionowego nacisku koła Qa na stanowisku badawczym posiadającym możliwość symulacji zwichrowanego toru oraz pomiarze siły prowadzącej Ya na odpowiednim torze badawczym. 35 2.3.2. Wyznaczenie sił prowadzących Y Metody badania bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze przedstawione w raporcie ORE B55 RP 8 [2] dotyczą badania wagonów towarowych, które są przeważnie wyposażone w zunifikowane układy biegowe (wózki). Dlatego też w raporcie [2] przewidziano możliwość analitycznego wyznaczenia sił prowadzących Y. Norma PN-EN 14363 [1] nie przewiduje wyznaczenia sił prowadzących Y za pomocą wzorów empirycznych, a jedynie na torze badawczym. Przy wyznaczeniu sił prowadzących, zgodnie z normą [1] oraz raportem [2], należy przeprowadzić pomiary następujących wielkości: • sił prowadzących na wewnętrznym i zewnętrznym kole badanego zestawu kołowego Yi i Ya; • siły pionowego nacisku na wewnętrznym kole badanego zestawu kołowego Qi. Dodatkowo norma [1] zaleca wykonanie pomiarów kąta nabiegania zestawu prowadzącego α. Kąt ten jest niezbędny do określenia warunków tarcia. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych przedstawiono na Rys. 3. 2.3.3. Wielkości oceniane Zgodnie z [1] i [2] pojazd jest uważany za bezpieczny jeżeli warunek (3) jest spełniony. (Y / Q) ja ≤ 1,2 [mm] 36 (3) R = 150 [m] Promień 2.3.1. Pomiary siły pionowego nacisku koła Q na stanowisku do wichrowania Podczas badania na stanowisku do wichrowania należy przeprowadzić pomiary następujących wielkości: • przemieszczenia ∆zjk kół; • siły pionowego nacisku Qjk kół. Oba dokumenty tj. norma PN-EN 14363 [1] i raport ORE B55 RP 8 [2] podają graniczne wielkości wichrowania. Zależności wykorzystywane jako podstawa w tym badaniu są takie same jak w metodzie 1. W rzeczywistości uniesienie koła do 5 mm jest dozwolone. W związku z tym efektywne wichrowatości pojazdu zostały zredukowane. Graniczne wichrowatości pojazdu o bazie 4,5 [m] ? 2a* < 20,0 [m] podane w normie [1] i raporcie [2] są takie same, natomiast norma [1] dodatkowo podaje zależności dla pojazdów o większej bazie 2a* ? 20 [m]. Różnice pomiędzy PN-EN i ORE istnieją w sposobie przemieszczania zestawów kołowych podczas próby wichrowania. Raport [2] podaje dwie metody wichrowania tj. badanie na nieruchomym lub na ruchomym zestawie kołowym. W raporcie [2] podano które koło jest badane, a które koła są przemieszczane. Norma [1] przewiduje tylko jeden sposób przemieszczania kół w trakcie badania bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze. Strefa 2 Strefa 1 >3[m] < 2a* >(2a++2a*) Rys. 3. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych na torze badawczym bez przechyłki Raport [2], w przypadku niespełnienia kryterium (3), zaleca przeprowadzenie ponownego badania zgodnie z metodą 1. Natomiast norma [1] traktuje metodę 1 i 2 jako równorzędne i nie przewiduje, w przypadku niespełnienia kryterium (3), ponownego badania inną metodą. 2.4. Metoda 3 wg PN-EN 14363 – Badanie na stanowisku do wichrowania i stanowisku do pomiaru momentu oborowego wózka względem nadwozia Norma PN-EN 14363 [1] wprowadza dodatkową metodę badania bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze. 2.4.1. Ograniczenia w stosowaniu metody 3 Metoda 3 łączy laboratoryjne badania odciążania koła oraz badania momentu oporowego wózka. Może być ona użyta do badania pojazdów o konwencjonalnej technologii pod następującymi warunkami: • pojazd wyposażony w wózki dwuosiowe, dwa wózki na pojazd, • kąt obrzeża kół pomiędzy 68° a 70°. 2.4.2. Wielkości mierzone podczas badań Podczas badania na stanowisku do wichrowania należy przeprowadzić pomiary następujących wielkości: • przemieszczenie ∆zjk kół; • siły pionowego nacisku Qjk wszystkich kół. Wymienione powyżej wielkości powinny być mierzone w sposób ciągły. Podczas badania na stanowisku do pomiaru momentu oporowego wózka względem nadwozia należy przeprowadzić pomiary następujących wielkości: • kąt skręcenia wózka względem pudła ∆ψ*, • moment Mz potrzebny do obrotu wózka. Wymienione powyżej wielkości powinny być mierzone w sposób ciągły i rejestrowane na wykresie Mz = f(∆ψ*). 2.4.3. Stanowisko do wichrowania pojazdów Stanowisko do symulacji przejazdu pojazdów przez tor zwichrowany powinno umożliwiać przemieszczanie zestawów kołowych przynajmniej jednego wózka. W trakcie pomiarów należy w sposób ciągły rejestrować przemieszczanie kół oraz pionowe naciski poszczególnych kół. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 2.4.5. Przygotowanie pojazdu do badań Badaniom poddaje się pojazd w stanie normalnych warunków eksploatacyjnych, czyli z wyposażeniem zwykle używanym w eksploatacji. W przypadku pojazdów posiadających usprężynowanie pneumatyczne badania należy wykonać z napompowanymi sprężynami i ze sprężynami z wypuszczonym powietrzem. Ze względu na stan obciążenia zespoły trakcyjne, wagony pasażerskie i towarowe, na stanowisku do wichrowania, powinny być badane w stanie próżnym, natomiast na stanowisku do pomiaru momentu oporowego wózka względem nadwozia powinny być badane w stanie próżnym i ładownym. 2.4.6. Warunki prowadzenia badań Badanie bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze zgodnie z metodą 3 należy przeprowadzić na stanowisku do badania wichrowania i na stanowisku do pomiaru momentu oporowego wózka względem nadwozia. Sposób przemieszczanie kół jest identyczny jak w metodzie 2 ale z innymi wartościami granicznymi wichrowatości. Podczas badania na stanowisku do pomiaru momentu oporowego wózka względem nadwozia wózek należy ustawić tak, aby oś czopa skrętu (oś obrotu wózka w płaszczyźnie poziomej) pokrywała się z osią obrotu stanowiska pomiarowego. Należy obracać w obu kierunkach do wartości kąta skręcenia: ∆ψ * = gdzie: a* [m], 2a+ Rmin a* 0,020 + Rmin 2a + (4) gdzie: Q0 - średnia siła pionowego nacisku koła badanego zestawu na poziomym torze (wichrowatość g+ = 0 i g* = 0), ∆Q - odchyłka od Q0 w warunkach maksymalnej wichrowatości. Współczynnik oporu obrotu wózka X powinien być obliczony z zależności (6) X= M z ,R min (6) 2a + ⋅ 2Q0 gdzie: Mz,Rmin – moment skrętu [kNm] potrzebny do obrotu wózka względem nadwozia pojazdu, dla kąta obrotu wózka wyznaczonego z (7), 2a+ – baza wózka (rozstaw skrajnych zestawów w wózku) [m], 2Q0 – siła pionowego nacisku zestawu [kN]. ∆ψ *eval = a* Rmin (7) Pojazd jest uważany za bezpieczny podczas przejazdu po wichrowatym torze, jeżeli są spełnione jednocześnie następujące warunki: ∆Q ≤ 0,6 Q0 (8) X ≤ 0,1 dla pojazdów pasażerskich i lokomotyw, (9) dla wagonów towarowych powinien on być poniżej wartości granicznej pokazanej na Rys. 4. 0,20 0,18 0,16 Współczynnik X 2.4.4. Stanowisko do pomiaru momentu oporowego wózka względem nadwozia pojazdu Stanowisko badawcze powinno mieć możliwość określenia momentu obrotu wózka do maksymalnego kąta skręcenia wózka względem nadwozia. Prędkość stanowiska powinna być stała i wynosić 1[º/s] przynajmniej dla ± 75% amplitudy kąta skręcenia. Wynik negatywny 0,14 0,12 0,10 0,08 Wynik pozytywny 0,06 0,04 – połowa rozstawu czopów skrętu 0,02 0,00 0 – rozstaw zestawów kołowych w wózku [m], – minimalny promień przez jaki pojazd może przejechać określony dla pojazdu [m], 2.4.7. Wielkości oceniane Analiza zachowania się na wichrowatym torze powinna być wykonana dla zestawu prowadzącego zastosowaniem współczynnika odciążenia (5) i współczynnika oporu obrotu wózka (6). ∆Q Q0 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 (5) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Siła pionowego nacisku zestawu kołowego w kN 240 Rys. 4. Maksymalna dopuszczalna wartość współczynnika X dla wagonów towarowych 3. Wymagania TSI Obecnie zatwierdzone przez Komisję Europejską są następujące dokumenty TSI: • TSI WAG - decyzja nr 2006/861/WE [3] i decyzja nr 2009/107/WE [4], • TSI HS - decyzja nr 2008/232/WE [5], • TSI CR – w trakcie opracowania [6]. TSI nie podają metody badań – a jedynie kryteria oceny. 37 W specyfikacjach TSI współczynnik Y/Q rozpatrywany jest w dwóch aspektach: dynamicznym i quasistatycznym. W badaniu dynamicznym wartość graniczna współczynnika Y/Q jest zgodna z (10), natomiast w badaniu quasistatycznym kryterium uzyskane jest z równania Nadal’a, czyli jest zgodne z (1). (Y / Q ) lim = 0,8 4. Podsumowanie Celem referatu była prezentacja metod badań bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze zawartych w normie PN-EN 14363 [1], raporcie ORE B55 RP 8 [2] oraz specyfikacjach technicznych TSI. (10) 3.1. TSI WAG Wymagania zawarte w TSI WAG [3] i [4] nie podają metody badań bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze. W punkcie rozdziale Zabezpieczenie przed wykolejeniem podczas jazdy po wichrowatych torach podane zostały tylko graniczne wichrowatości toru, które wagony powinny pokonywać bez przeszkód. Współczynnik (Y/Q) podczas przejazdu przez łuk o promieniu R = 150 m, dla podanych wichrowatości, nie powinien przekraczać wartości granicznej. Graniczne wichrowatości są zgodne z normą PN-EN 14 363 [1]. Poprawna wartość kryterialna współczynnika (Y/Q) została podana w decyzji nr 2009/107/WE [4]. Jest ona zgodna z kryterium Nadala – zależność (1). 3.2. TSI HS TSI HS nie podaje granicznych wartości wichrowatości toru. W punkcie rozdziale Dynamiczne zachowanie się taboru odwołuje się do procedur dopuszczenia pojazdów zgodnie z normą EN 14363 (polski odpowiednik to [1]) – podpunkty dotyczące badań dynamicznych zamieszczonych w [1]. Następnie w rozdziale Wartości graniczne dla bezpieczeństwa jazdy podane jest kryterium jako iloraz poprzecznej i pionowej siły wywieranej przez koło na torze zwichrowanym dla promienia łuku R < 250 m. Kryterium to jest zgodne z kryterium Nadala. Literatura [1] PN-EN 14363:2007 Kolejnictwo. Badania własności dynamicznych pojazdów szynowych przed dopuszczeniem do ruchu. Badania własności biegowych i próby stacjonarne. [2] ORE B55 Rp 8 Prevention of derailment of goods wagon on distorted tracks. Conditions for negotiating track twists. Recommended values for track twist and cant. Calculation and measurement of the relevant vehicle parameters. Vehicle testing. Utrecht, April 1983. [3] 2006/861/WE DECYZJA KOMISJI dotycząca technicznej specyfikacji dla interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „tabor kolejowy – wagony towarowe” transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych (notyfikowana jako dokument nr C(2006) 3345) z dnia 28 lipca 2006 r. [4] 2009/107/WE DECYZJA KOMISJI zmieniająca decyzje 2006/861/WE i 2006/920/WE w sprawie technicznych specyfikacji interoperacyjności w zakresie podsystemów transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych (notyfikowana jako dokument nr C(2009) 38) z dnia 23 stycznia 2009 r. [5] 2008/232/WE DECYZJA KOMISJI dotycząca technicznej specyfikacji technicznej interoperacyjności podsystemu „Tabor” transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości (notyfikowana jako dokument nr C(2008) 648) z dnia 21 lutego 2008 r. [6] Technical Specification for Interoperability transEuropean conventional rail system Subsystem rolling stock TSI “Locomotives and Passenger RST”– project końcowy z dnia 24.11.2009. 3.3. TSI CR W projekcie TSI CR przewidywanym do wprowadzenia w 2010r. umieszczono rozdział Dynamiczne zachowanie się taboru. Jednak, w odróżnieniu do pozostałych TSI, w TSI CR znajduje się rozdział Badanie bezpieczeństwa jazdy po wichrowatym torze, który to całkowicie odwołuje się do wymagań normy EN 14363. 38 POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 dr inż. Stanisław Młynarski mgr inż. Ewa Pałka, Politechnika Krakowska Symulacyjna metoda analizy bezpieczeństwa pojazdu szynowego W artykule omówiono wybrane zagadnienia związane z analizą bezpieczeństwa pojazdów szynowych z wykorzystaniem modeli symulacyjnych. Przedstawiono metody obliczeń i wyniki symulacji przeprowadzonych dla oszacowania trwałości zmęczeniowej węzła konstrukcyjnego. 1. Wstęp Problematyka bezpieczeństwa w systemach eksploatacji pojazdów szynowych jest rozpatrywana głównie w aspekcie zaistnienia wypadku. W transporcie kolejowym termin bezpieczeństwo sprowadza się najczęściej do zagrożenia środowiska naturalnego, pojawiającego się w związku z przewozem materiałów niebezpiecznych i prawdopodobieństwem zaistnienia katastrofy. Analizy i statystyki z ostatnich lat przedstawiają, że ok. 80% katastrof w transporcie spowodowane jest działalnością operatora (błędne lub celowe oddziaływanie człowieka na system), 10% to zawodność urządzeń, a pozostałe 10% to wpływ czynników zewnętrznych (tj. oddziaływanie przyrody np. zwierzęta leśne wybiegające na tory, burza, mgła). System techniczny pojazdów szynowych, analizowany w aspekcie bezpieczeństwa, stanowi element składowy przestrzeni: człowiek – technika – środowisko. System ten może znajdować się w pięciu podstawowych stanach [3]: – stan bezpieczeństwa oznacza funkcjonowanie systemu zgodnie z wymaganiami; – stan poczucia zagrożenia bezpieczeństwa wynika z pobudek racjonalnych lub· irracjonalnych, związanych z możliwością zaistnienia utraty stanu bezpieczeństwa; – stan zagrożenia bezpieczeństwa jest to taki stan, w którym operator zapobiega sytuacji· niebezpiecznej spowodowanej błędem własnym lub innego operatora, albo· uszkodzeniem obiektu technicznego; – stan zawodności sprawności ma miejsce wtedy, kiedy system traci w pełni albo·częściowo swoją sprawność wskutek np. uszkodzenia eksploatowanych obiektów; – stan zawodności bezpieczeństwa oznacza stan katastrofy, np. wypadki z udziałem ludzi lub zniszczenie istotnej części systemu. Pojęciami związanymi z oceną systemu eksploatacji pojazdów szynowych są, jakość, niezawodność i bezpieczeństwo. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 W literaturze spotyka się wiele rozwiązań, przykładów i analiz dotyczących modeli symulacyjnych niezawodności [1], [2], [3], [4]. Opisywane modele można podzielić w zależności od sposobu i rodzaju realizowanych zadań. Sama analiza niezawodnościowa określonego pojazdu szynowego opiera się na wynikach przetwarzania danych pomiarowych, pozyskiwanych w procesach: kontroli – weryfikacji – kwalifikacji elementów pojazdów i maszyn, i jest prowadzona głównie w zakładach naprawczych. 2. Modele symulacyjne w analizie bezpieczeństwa Modele symulacyjne znajdują duże zastosowanie w różnych dziedzinach nauki, można też je wykorzystać w badaniach i projektowaniu bezpieczeństwa pojazdów szynowych. W technice symulacji tworzy się często złożone modele całego systemu i procesów w nim zachodzących, którymi możemy manipulować w taki sposób, aby w rezultacie dokonać oceny funkcjonowania badanego systemu, podlegającego wpływom zmiennych warunków zewnętrznych. Procedury wykorzystywane są przy symulacji eksploatacji, kontroli i korygowania parametrów jakościowych i niezawodnościowych podzespołów pojazdów szynowych, od etapu projektowania (symulacja w CAD), poprzez produkcję (symulacja w CAM i CAP) aż do kontroli jakości (CAQ) i serwisu (CAS), przy zabezpieczeniu niezawodności eksploatacyjnej. Modele symulacyjne w kolejnictwie, związane z analizą bezpieczeństwa mają obszerne zastosowanie, gdyż umożliwiają między innymi: • sprawne, bezkolizyjne zarządzanie logistyczne, dzięki śledzeniu zachowań·wirtualnych modeli złożonych systemów i procesów; • racjonalną analizę doboru materiału na elementy konstrukcji pojazdów szynowych; • prognozowanie i analizowanie następstw wystąpienia usterek prowadzących do·powstania zagrożenia; • kontrolę czy dany pojazd szynowy jest bezpieczny dla otoczenia. 39 W infrastrukturze systemu związanego z pojazdem szynowym w pierwszym kroku modelowania stanu bezpieczeństwa należy znaleźć odpowiedzi na pytania: • czy istnieją (lub mogą być zbudowane) adekwatne modele umożliwiające podejmowanie optymalnych (lub bliskich optymalnym) decyzji? • czy można zbudować adekwatne modele nie wymagające bezpośredniego wyprowadzania optymalnych rozwiązań? Po podjęciu decyzji, następnym krokiem jest wybór odpowiednich modeli fizycznych podsystemu, po nim tworzy się modele matematyczne i na ich bazie konstruuje modele symulacyjne. Realizując te kroki należy pamiętać o założeniach wynikających z wymagań formalnych (normy, przepisy, zalecenia), ograniczeniach (np. dotyczących dostępności pakietów symulacyjnych) i przesłankach technicznoorganizacyjno-ekonomicznych. Wprowadzenie techniki cyfrowej w dziedzinie sterowania ruchem kolejowym spowodowało, że konieczne stało się opracowanie nowych kryteriów oceny urządzeń, ze szczególnym uwzględnieniem bezpieczeństwa ruchu. W różnych krajach Europy przyjęto różne zalecenia i uregulowania prawne gwarantujące zapewnienie właściwego poziomu bezpieczeństwa transportu kolejowego. Bezpieczeństwo pojazdów szynowych musi być zgodne np. z normą CENELE [7], która narzuca twórcom konieczność spełniania wymagań norm jakościowych ISO 9001. szynowego, jako jeden z elementów systemu monitorowania [3]. Obecnie, duże, specjalne pakiety symulacji wykorzystuje się przy analizie wypadków, jak również przy predykcji procesów eksploatacji pojazdów szynowych (diagnostyka, niezawodność, bezpieczeństwo) oraz przy analizie pracy całej infrastruktury kolejowej. W niniejszej pracy stosuje się oryginalne programy-moduły symulacyjne, zbudowane na bazie pakietu VisSim & Analyze, służące do komputerowego wspomagania realizacji zadań związanych z szacowaniem wskaźników bezpieczeństwa wybranych modeli podsystemów pojazdów szynowych. 4. Wybrany przykład zadania Ocena trwałości i współczynnika bezpieczeństwa wytrzymałości zmęczeniowej wybranego elementu konstrukcyjnego pojazdu szynowego. Przedstawiony na rys. 1 węzeł konstrukcyjny poprzecznicy ramy wózka z przyspawanym wspornikiem zawieszenia przekładni ukazuje strefę pęknięć zmęczeniowych obserwowanych w eksploatacji i podczas badań stanowiskowych [6]. strefa pęknięć zmęczeniowych 3. Metody i narzędzia Przy ocenie i prognozowaniu stanów bezpieczeństwa obiektów technicznych stosuje się głównie metody matematyczne bazujące na miarach statystycznych, odniesionych do procesów stochastycznych [1], [3], [4]. W opisach struktur hierarchicznych często wykorzystuje się pojęcia i metody teorii informacji np. przy konstruowaniu kryteriów klasyfikacji stanów oraz metody informatyki np. w zakresie automatyzacji pozyskiwania danych z relacyjnych baz danych. Wybrana przykładowo w tej pracy metoda „Grey – system theory” [3], [6] służy do prognozowania stanu obiektów w przypadkach, gdy analizowane są np. wielkość zużycia współpracujących elementów, ilość uszkodzeń elementów, wielkość drgań elementów tocznych. Sprawdzenie bezpieczeństwa polega na symulacji eksploatacji pojazdu przy zakładanej znajomości intensywności uszkodzeń i popełnianych błędów przez maszynistę oraz po określeniu wartości początkowych poszczególnych prawdopodobieństw i czasów badań symulacyjnych. Wyniki zastosowania tej metody wskazują na dużą zgodność wartości prognozowanych z rzeczywistymi, otrzymanymi z pomiarów. Wykorzystuje się ją w procesach kontroli stanu technicznego środków transportu – również 40 Rys. 1. Węzeł konstrukcyjny poprzecznicy ramy wózka z przyspawanym wspornikiem zawieszenia przekładni wg [6] Wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji rozpatrywanego węzła określa związek między trwałością a funkcją gęstości widmowej naprężeń w spoinie połączenia wspornika z poprzecznicą, dla różnych prędkości jazdy (np. 40÷100 km/h). Wykładnik potęgowy m krzywej wytrzymałościowej i granica wytrzymałości węzła σ −1k przyjmowane są z danych tablicowych (dla danego rodzaju materiału), na poziomie ufności 0,95. Zadaniem podstawowym jest znalezienie wartości estyma trwałości węzła, określonej wg [6] wzorem: Tc = [σ ] N 0 ϕm m+2 2 m / 2 Γ 2 m 1 −1k gdzie: f m – – [σ −1k ] – ∑ i m/2 pti 2 f 2 / m S ( f )df 0 i ∞ (1) ∫ częstotliwość zmian cyklu obciążenia, wykładnik potęgowy krzywej zmęczeniowej, min wartość granicy wytrzymałości zmęczeniowej, POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 m+2 Γ 2 v(t).dat – generator losowy rozkład Gaussa funkcja gamma Eulera, N0 – φ ilość badanych zmęczeniowo próbek połączenia, współczynnik asymetrii cyklu obciążenia danego elementu – połączenia, gęstość widmowa naprężeń dynamicznych w elemencie, prawdopodobieństwo czasu jazdy z prędkością vi. – S(f) – Pti – 77.5 65.0 + + vo 52.5 40.0 + + 27.5 genarator losowy rozkładu równomiernego + - 0.5 15.0 2.5 5 -10.0 0 + + + + + * 0.5 0.2 0.1 zadawana ustalona przedziałami prędkość jazdy ∞ m ∫ 1 1.5 2 2.5 T ime (h) 3 3.5 4 4.5 5 4.5 5 Plot 60 100 vo 40 20 0.3 * .5 80 0 0 0 Algorytm obliczenia trwałości węzła konstrukcyjnego w oparciu o wzór (1), przy zastosowaniu symulacji komputerowej, przedstawić można następująco: • ustalenie prędkości jazdy v0 (zgodnie z planem jazdy na danym odcinku trasy), • wybór generatora losowego (np. o rozkładzie Gaussa albo rozkładzie· równomiernym) i losowe (addytywne) zaburzenie przebiegu prędkości jazdy, • wyznaczenie prawdopodobieństwa Pti czasu jazdy z prędkością vi (z histogramów· rozkładów prędkości jazdy na danej trasie), • wyznaczenie wariancji procesu z gęstością widmową S(f) naprężeń dynamicznych Plot 90.0 .5 1 1.5 2 2.5 T ime (h) 3 3.5 4 Rys. 3. Symulacja losowych zmian prędkości jazdy a) z wykorzystaniem generatorów, b) zadana prędkość jazdy Na rys. 4 przedstawiono wykres symulowanych zmian prędkości jazdy, na podstawie, którego określano wartości prawdopodobieństwa Pti czasu jazdy z prędkością vl na danej trasie. W obliczeniach wykorzystano pakiet MathCad. Po wyznaczeniu Pti i wstawieniu pozostałych danych (zakładanych) wartości do wzoru (1) można obliczyć trwałość zmęczeniową węzła. (2) 2 f 2 S ( f )df 0 • na podstawie danych: widm naprężeń dynamicznych S(f) we wsporniku, przy· różnych prędkościach jazdy oraz znajomości Pti następuje obliczenie trwałości Tc. 25 v = 100 [km/h] Gsr = 59 [MPa] S [MPa]^2/Hz 20 15 10 Rys. 4. Określenie wartości prawdopodobieństwa Pti czasu jazdy z prędkością vi (na danej trasie) 5 0 0 3 6 9 12 15 18 f[ Hz] Rys. 2. Przykładowe widmo naprężeń dynamicznych S(f) we wsporniku zawieszenia przekładni Do analizy numerycznej niniejszego przykładu został wykorzystany histogram rozkładu prędkości jazdy na zadanej trasie wybrany z literatury [6]. Korzystając z pakietu symulacyjnego VisSim przeprowadzono symulację zmian losowych nałożonych na zdeterminowane planem prędkości jazdy. Można zaobserwować, iż na niższym rysunku 3b) jest przedstawiona zadawana ustalona przedziałami prędkość jazdy. W rzeczywistości nie jest ona taka idealna, co można zaobserwować na rysunku 3a) przez wykorzystanie generatora losowego o rozkładzie Gaussa i generatora o rozkładzie równoległym. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Po wyznaczeniu Pti i wstawieniu pozostałych już danych wartości do wzoru (1) możemy obliczyć trwałość. 5. Uwagi końcowe Analizując uzyskane wyniki badań symulacyjnych, można stwierdzić, że: • Wartość wielkości trwałości zmęczeniowej uzyskiwana z obliczeń symulacyjnych, pozwala efektywnie określić poziom bezpieczeństwa ramy wózka zależny od prędkości jazdy i dokonać optymalnego doboru rodzaju materiału konstrukcji węzła. 41 • Pakiety symulacyjne VisSim i Mathcad są przydatne do rozwiązania postawionych problemów bezpieczeństwa złożonych systemów w kolejnictwie. Zauważono·komplementarność ich cech w rozwiązywaniu zadań mieszanych, gdy dane wejściowe podane są w postaci macierzy wartości sygnału albo jawnej zależności funkcyjnej pomiędzy zmiennymi. Literatura [1] B o b r o w s k i D., Modele i metody matematyczne teorii niezawodności, Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa 1989. [2] J a ź w i ń s k i J., Bezpieczeństwo systemów, Wydawnictwo Naukowe PWN Sp. z o. o., Warszawa 1993. 42 [3] M a g i e r a J., Prognozowanie niezawodności w kombinowanym systemie· transportowym, Zużycie i Niezawodność cz. III, PAN, Kraków 1998. [4] O p r z ę d k i e w i c z J., S t o l a r s k i B., Komputerowe monitorowanie niezawodności· samochodów, PWN, Warszawa–Kraków 2000. [5] P i e c P., M a g i e r a J., Ocena zużycia i niezawodności pojazdów szynowych, Zakład Narodowy im. Ossolińskich – Wydawnictwo, Wrocław 1994. [6] Praca zbiorowa pod redakcją S.I. Sokołowa, Badanie dynamiki i wytrzymałości wagonów pasażerskich, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1983. [7] S o b a ń s k i M. M i k u l s k i J., Bezpieczeństwo systemów sterowania ruchem kolejowym w świetle wymagań norm CENELE, Przegląd Kolejowy 11/99. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 dr inż. Jacek Skowron Politechnika Krakowska Hamulce wiroprądowe w kolejnictwie Hamulec wiroprądowy można rozpatrywać jako maszynę elektryczną, czyli formę przetwornika elektromechanicznego, który przetwarza energię kinetyczną hamowania pociągu w energię elektryczną rozpraszaną w szynach kolejowych. Takie podejście do rozpatrywanego problemu zastosowano w niniejszej pracy. Otrzymane w ten sposób rozwiązanie przedstawiono w postaci schematu zastępczego maszyny elektrycznej, który nie zawiera oporności indukcyjnej a tylko oporność czynną. Stąd zaproponowano rozwiązanie polegające na wprowadzeniu dodatkowo w schemacie zastępczym maszyny oporności biernej o wartości równej oporności czynnej, co jest zgodne z badaniami empirycznymi. Oznaczenia Θ t v γ ∆ δ µ τ l n p – – – – – – – – – – – prąd liniowy, czas, prędkość, przewodność elektryczna, grubość warstwy w której płynie prąd, wysokość szczeliny powietrznej, przenikalność magnetyczna, podziałka biegunowa, szerokość nabiegunnika, liczba porządkowa harmonicznej, liczba par biegunów. 1. Wstęp Wprowadzenie liniowego hamulca wiroprądowego do nowego taboru kolejowego to duży sukces po kilkudziesięciu latach badań (pierwsze próby z tym hamulcem w wersji rotacyjnej były prowadzone w latach trzydziestych ubiegłego wieku przez koleje niemieckie) w pociągu ICE-3 [1, 2]. Hamulec ten (rys. 1) posiada szereg korzystnych cech, takich jak: niezależność od przyczepności, brak zużywania się płozy, oddawanie energii w czasie hamowania do szyn, cicha praca i możliwość wykorzystywania go do hamowania służbowego. Zasadniczą wadą tego hamulca jest konieczność stosowania stosunkowo dużych mocy (około 40 kW na jeden hamulec) oraz nagrzewanie się szyn. Moc rozwijana przez hamulec, przy prędkościach powyżej 300 km/h wynosi około 600 KW i cała ta moc tracona jest w wierzchniej warstwie szyny (w której płynie prąd wirowy), o grubości zależnej od podziałki biegunowej i przenikalności magnetycznej szyny. Pociąg składający się z dziesięciu wagonów ma szeregowo umieszczone nad jedną szyną dwadzieścia hamulców co daje moc traconą w szynie rzędu 12 MW. Tak duża energia wydzielająca się na powierzchni szyny może podnosić POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 temperaturę warstwy wierzchniej szyny do punktu Curie (dla stali τc~720°C) zmieniając jej własności magnetyczne i mechaniczne. Jednym z najtrudniejszych problemów do rozwiązania przy zastosowaniu hamulców wiroprądowych okazało się zjawisko nagrzewania się szyn kolejowych po przejeździe hamującego pociągu. Na rysunku 2 pokazano [2] jak rośnie temperatura szyn w zależności od czasu przerwy tz między kolejno hamującymi pociągami. Zjawisku temu towarzyszy znacznie wyższy (kilkaset stopni C) chwilowy wzrost temperatury powierzchni szyn, który może powodować zmianę jej własności mechanicznych. Ponadto nagrzewanie się szyn w wyniku przejazdu hamującego prądami wirowymi pociągu może prowadzić do naruszenia stabilności toru. Problem ten w pociągu ICE3 rozwiązano poprzez obniżenie mocy traconej w szynie, poprzez redukcję składu pociągu do ośmiu wagonów, w tym cztery toczne (wyposażone w hamulce wiroprądowe) i cztery silnikowe. Dzięki temu moc tracona w szynie zmalała do około 4,8 MW. Dodatkowo silniki trakcyjne pracujące w układzie hamowania dynamicznego wykorzystano do zasilania awaryjnego cewek hamulców. Rys. 1. Wózek z liniowym hamulcem wiroprądowym 43 Rys. 2. Przyrost temperatury szyn po hamowaniu pociągu ICE3 [2] W pociągu ICE3 oprócz hamulców wiroprądowych zastosowano hamulce tarczowe, które zamontowano na wszystkich osiach zespołu. Wagony toczne hamowane są przez hamulec wiroprądowy i hamulec tarczowy, natomiast wagony silnikowe przez hamulec dynamiczny i hamulec tarczowy. Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę siły hamowania w funkcji prędkości hamulców wiroprądowych pociągu ICE3. Hamulce wiroprądowe przy hamowaniu służbowym z prędkości 300 km/h do prędkości około 230 km/h wytwarzają główną siłę hamującą. Widoczne na charakterystyce przy tej prędkości załamanie jest spowodowane regulacją prądu wzbudzenia hamulca, w celu stabilizacji temperatury szyn. Natomiast po osiągnięciu przez hamowany pociąg prędkości około 50 km/h hamulce wiroprądowe zostają wyłączone. Przyczyną wyłączenia hamulca jest nadmierny wzrost pionowej siły uciągu magnetycznego, która może spowodować (na skutek ugięcia belki zawieszenia hamulca) kontakt płozy hamulca z szyną co może prowadzić do jej uszkodzenia. do rozpatrywanego problemu zastosowano w niniejszej pracy. Model matematyczny hamulca zbudowano w oparciu o równania elektrodynamiczne Maxwella dla wolno poruszającego się ferromagnetyka. Uzyskane w ten sposób równanie różniczkowe cząstkowe zostało rozwiązane z wykorzystaniem magnetycznego potencjału wektorowego. Okazało się, że znalezione rozwiązanie obarczone jest pewną niedokładnością wynikającą z przyjętych założeń upraszczających, (nieskończona przewodność i zerowa grubość warstwy wierzchniej szyny), które umożliwiły znalezienie rozwiązania symbolicznego modelu. Niedokładność ta polega na tym, że występująca w rozwiązaniu oporność powierzchniowa szyny zawiera tylko część czynną. W rzeczywistości oporność powierzchniowa szyny zawiera zarówno oporność czynną jak i bierną. Otrzymane w ten sposób rozwiązanie przedstawiono w postaci schematu zastępczego maszyny elektrycznej, nie zawiera oporności indukcyjnej a tylko oporność czynną. Stąd zaproponowano rozwiązanie polegające na wprowadzeniu dodatkowo w schemacie zastępczym maszyny oporności biernej o wartości równej oporności czynnej, co jest zgodne z badaniami empirycznymi [7]. Konsekwencją tej zmiany jest ponad dwukrotne obniżenie wartości maksymalnej siły hamującej (wyliczanej na podstawie tak uzyskanego wzoru). Model matematyczny hamulca zbudowano posługując się równaniami elektrodynamicznymi Maxwella dla wolno poruszającego się ferromagnetyka. Uzyskane w ten sposób równanie różniczkowe cząstkowe zostało rozwiązane z wykorzystaniem magnetycznego potencjału wektorowego [3–6]. W artykule przeprowadzono obliczenia rozkładu pola magnetycznego pod płozą hamulca i następnie w oparciu o wzór Ampera wyznaczono składową poziomą siły ponderomotorycznej. Rys. 3. Siła hamująca hamulców wiroprądowych pociągu ICE3 [2] 2. Model analityczny hamulca wiroprądowego Rys. 4. Model fizyczny hamulca wiroprądowego Hamulec wiroprądowy można rozpatrywać jako maszynę elektryczną, czyli formę przetwornika elektromechanicznego, który przetwarza energię kinetyczną hamowania pociągu w energię elektryczną rozpraszaną w szynach kolejowych. Takie podejście 44 Geometryczny kształt hamulca (rys. 4) uzasadnia wprowadzenie uproszczeń, które umożliwiają zastąpienie modelu trójwymiarowego modelem quasijednowymiarowym. Wówczas zgodnie z tymi uproszczeniami magnetyczny potencjał wektorowy POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 ma tylko jedną składową A = Az. Stąd dla pierwszej harmonicznej magnetyczny potencjał wektorowy w szczelinie powietrznej i wierzchniej warstwie szyny kolejowej (o grubości ∆) wyrazi się odpowiednio wzorami gdzie: AIIp = i ∂A ∇ 2 A = µγ − v × ∇A ∂t (1) AII = AIIp + AIIw (2) µ 0 θ1 cosh αy µ − 1 − 0 sinh αy ei αx α k1 µ1 k1 (3) µ θ′ cosh α ( y − δ ) µ + 1 − 0 sinh α ( y − δ ) eiαx AIIw = i 0 1 α k1′ µ 2 k1′ gdzie: µ 1 cosh αδ θ1′ = −ivµ0 θ1 − 1 − 0 sinh αδ µ k k 1 1 1 r + i µ0 v k1′ (9) Z analizy ostatniej zależności wynika, że funkcja (8) posiada ekstremum. Maksimum tej funkcji, a tym samym siły hamującej, występuje przy prędkości krytycznej vk = µ µ sinh αδ + µ 0 cosh αδ , k1′ = 0 + 1 µ 2 µ1 cosh αδ + µ0 sinh αδ r = lim ∆→0 lim γ→∞ ( γ∆ ) −1 W mianowniku równania (5) występuje impedancja wirnika, której część bierną można zapisać w postaci Fk = Fx = θ 1’ µ 20 l τ q1Θ12 2 Fk vk v + v vk ∆= r=X = Rys. 5. Schemat zastępczy hamulca wiroprądowego z rezystancją w obwodzie wirnika Możemy teraz wyznaczyć siłę hamującą Fx. W tym celu skorzystamy z równania Ampera w postaci POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 2 vαγ 2 µ 2 Z = (1 + i ) r gdzie: stąd: (11) (7) (12) (13) Wielkość ta odpowiada e-krotnemu zmniejszeniu się amplitudy fali w stosunku do jej wartości na powierzchni wirnika. Głębokość tego wnikania dla stali (zależnie od stopnia jej nasycenia) waha się od dziesiątych części milimetra do kilku milimetrów, dla częstotliwości przemysłowych. Impedancję tej warstwy określa zależność vX s τ ∂ A w∗ Fx = − ∫ Re θ II dx −τ ∂ x 2X s Ostatnia zależność jest odpowiednikiem znanego wzoru Klossa na moment silnika asynchronicznego. W rozważanym modelu przyjęto, że prąd wirowy indukowany w wirniku płynie w nieskończone cienkiej warstwie, a w rzeczywistości grubość tej warstwy może być aproksymowana głębokością wnikania fali elektromagnetycznej w wirnik (6) Powyższe zależności pozwalają na skonstruowanie schematu zastępczego hamulca (rys. 5). Schemat ten w obwodzie wirnika zawiera jedynie rezystancje co jest zgodne z przyjętym w modelu uproszczeniem, że powierzchnia wirnika ma tylko czynną oporność powierzchniową r. θ1 (10) Funkcję (8) można przedstawić również w postaci µ 0 µ 2 sinh αδ + µ 0 cosh αδ + µ1 µ 2 cosh αδ + µ 0 sinh αδ µv X = 0 = vXs k1′ k1′r r = µ0 X s Natomiast wartość siły maksymalnej będzie równa (5) k1 = (8) µ µ cosh αδ cosh αδ − 1 − 0 sinh αδ − 1 − 0 sinh αδ q1 = ′ ′ µ µ k k k k 1 1 1 1 2 1 (4) gdzie: v r l τ q1Θ12 Fx = 2 r + X s2v 2 vαµ 2 2γ 2 vαµ 2 2γ 2 (14) (15) Z powyższej zależności wynika, że wirnik w stanie ustalonym wnosi do obwodu zastępczego hamulca nie tylko rezystancję powierzchniową r, ale również reaktancję powierzchniową X. W konsekwencji schemat zastępczy hamulca dla pierwszej harmonicznej otrzymany przy upraszczającym założeniu jedynie rezystantywnej warstwy wierzchniej, trzeba uzupełnić przez dodanie reaktancji X (rys. 6). 45 θ1’ r Fx/Fk θ1 X vXs 1.0 0.5 Rys. 6. Schemat zastępczy hamulca wiroprądowego z impedancją w obwodzie wirnika Podstawiając za tym do równania (11) wartość reaktancji zgodnie z przyjętym schematem zastępczym otrzymamy Fx = µ 20 l τ q1Θ12 vαµ 2 1 2 γ 2 αµ 2 vαµ2 + vX s2 + 2 X s γ2 2γ 2 (16) Funkcja ta podobnie jak równanie (11) posiada ekstremum, przy czym prędkość krytyczna równa się vk = k1′2 αµ 2 µ 02 γ 2 (17) Natomiast siła maksymalna jest określona równaniem Fk = µ 20 l τ q1Θ12 ( 2X s 1+ 2 ) (18) Porównując wzory (10), (15) i (17) okazuje się, że prędkość krytyczna dla modelu z samą reaktancją i modelu z impedancją jest identyczna. Podobnie porównując wzory (11) i (18) na siłę krytyczną, to stosując model z samą reaktancją otrzymamy, że wartość siły jest 1 + 2 razy większą niż przy modelu z ( ) impedancją. Podobnie porównano przebieg siły hamującej w funkcji prędkości generowanych przez oba modele. W tym celu skorzystano z równań (8) i (16), a wynik badań przedstawiono na rys. 7. Na rysunku 7 krzywa 1 została wyliczona według wzoru (8), natomiast krzywa 2 według wzoru (16). W zakresie niskich prędkości siła hamująca liczona według wzoru (16), w którym uwzględniono reaktancję powierzchniową wirnika narasta szybciej niż w modelu z samą rezystancją. Wynika to z założenia przyjętego przy konstruowaniu modelu, że reaktancja powierzchniowa jest równa rezystancji, co jest słuszne dla prędkości większych niż prędkość krytyczna. Dla niskich prędkości zgodnie z wzorem (13) przy v → 0 głębokość wnikania fali elektromagnetycznej w materiał wirnika wzrasta teoretycznie do nieskończoności, a tym samym oporność powierzchniowa maleje do zera. W wiroprądowym hamulcu kolejowym zakres praktycznej stosowalności zaczyna się od prędkości nieznacznie niższych niż v = vk. Wynika stąd, że model z impedancją jest w pełni przydatny do projektowania kolejowych hamulców wiroprądowych 46 1 0.0 2 0 1 v/vk 2 Rys. 7. Porównanie przebiegu siły hamującej w funkcji prędkości 3. Wnioski końcowe Hamulec wiroprądowy jest maszyną elektryczną, dla której można zbudować schemat zastępczy. Okazało się, że schemat zastępczy hamulca wiroprądowego uzyskany w oparciu o przedstawiony model matematyczny obarczony jest pewną niedokładnością. Niedokładność ta polega na tym, że występująca w rozwiązaniu oporność powierzchniowa wirnika (szyny) zawiera tylko część czynną. W rzeczywistości (co potwierdzają badania empiryczne) oporność powierzchniowa szyny zawiera zarówno oporność czynną jak i bierną. Stąd zaproponowano rozwiązanie polegające na wprowadzeniu dodatkowo w schemacie zastępczym maszyny oporności biernej o wartości równej oporności czynnej. Uzyskane w ten sposób rozwiązanie przedstawiono w poprzednim rozdziale, w którym porównano obydwa modele. Model z impedancją w obwodzie wirnika lepiej odwzorowuje przebieg siły hamującej w funkcji prędkości, szczególnie w zakresie prędkości, które są stosowane w kolejowych hamulcach wiroprądowych. Literatura [1] K u n z M., G r a b e r J., Integration der linearen Wilberstrombremse des ICE3cin die Infrastruktur – technische Aspekte und Betriebserfahrungen, Eisenbahn Technische Rundschau H 7/8, 2004. [2] M e i e r C r e d n e r W., G r a b e r J., The Linear Eddy-Current Brake on the ICE3, Eisenbahn Technische Rundschau H 6, 2000. [3] S k o w r o n J., Analiza wyników badań hamulca wiroprądowego, Polskie Towarzystwo Symulacji Komputerowej, WAT, IPPT PAN, Zakopane 2008. [4] S k o w r o n J., Wpływ prądów wirowych na charakterystykę hamulca szynowego, Zeszyty Naukowe Wydziału Mechanicznego Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2002. [5] S k o w r o n J., Wpływ ugięcia belki mocującej hamulec wiroprądowy na jego charakterystykę, XIV Konferencja Naukowa Pojazdy Szynowe, Kraków–Arłamów 2000. [6] S k o w r o n J., Mathematical model of linear eddy curent brake unstable motion of the vehicle, Czasopismo Techniczne, z. 5/M, Kraków 1995. [7] T u r o w s k i J., Elektrodynamika techniczna, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1967. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 mgr inż. Tomasz Antkowiak mgr inż. Radosław Miklasz Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Modernizacja wózka 1 LNb przeznaczonego dla lokomotywy 6Dk W artykule przedstawiono modernizację wózka 1LNb (powstałego na bazie wózka 1LN) przeznaczonego dla lokomotywy manewrowej 6Dk. Scharakteryzowano zmodernizowane węzły konstrukcyjne wózka. Porównano wózek 1LNb z wózkiem 1LN w zakresie części poddanych modernizacji 1. Wstęp Duża ilość obecnie eksploatowanych pojazdów na terenie Polski jest już przestarzała z technicznego punktu widzenia. Powodem takiego stanu jest fakt, iż produkowane były przez wiele lat bez wprowadzania zasadniczych zmian konstrukcyjnych. Pojazdy te charakteryzowały się stosunkowo dużą awaryjnością i wysokimi kosztami eksploatacyjnymi. Doświadczenia kolei zachodnich stanowią podstawę do stwierdzenia, że tego typu pojazdy powinny być modernizowane przynajmniej dwa razy podczas okresu swojej trwałości. Głównym zadaniem modernizacji pojazdu jest: – zmniejszenie kosztów eksploatacji, obsługi i napraw, – podniesienie parametrów technicznych, ekologicznych i sprawności, – poprawa bezpieczeństwa i komfortu pracy obsługi [1]. Wśród wielu lokomotyw manewrowych, eksploatowanych w naszym kraju do modernizacji kwalifikuje się lokomotywa spalinowa SM 42 (6D). O wyborze w/w lokomotywy do modernizacji świadczy fakt, iż lokomotywa SM42 jest jedną z najliczniej eksploatowanych lokomotyw w Polsce, wykorzystywanych do prac manewrowych i przewozowych. Odbiorcami tych lokomotyw, produkowanych w latach 1965–1992, były głównie PKP oraz zakłady przemysłowe. Łącznie powstało ponad 2000 sztuk tych lokomotyw. Najszerszą jak dotąd i najbardziej dopasowaną do wykonywanych zadań modernizację lokomotywy SM42 przeprowadzono w zakładzie PESA w Bydgoszczy przy udziale Instytutu Pojazdów Szynowych w Poznaniu. Niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie modernizacji układów biegowych wózków 1LN, lokomotywy 6Dk (oznaczenie po w/w modernizacji). POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 2. Modernizacja wózka 1LN 2.1. Charakterystyka wózka 1LNb Wózek 1LNb powstał w oparciu o konstrukcję wózka typu 1LN i swoje zastosowanie znalazł w zmodernizowanej dwuagregatowej lokomotywie 6Dk (SM42). Projekt modernizacji wózka opierał się na założeniu, że przeznaczeniem lokomotywy 6Dk jest: wykonywanie prac manewrowych na terenie bocznic kolejowych, stacji manewrowych i rozrządowych oraz prowadzenie pociągów towarowych. Modernizacja wózka 1LN miała na celu poprawę skuteczności hamowania lokomotywy oraz umożliwienie jej przejazdu przez łuk toru o minimalnym promieniu R = 60 m. Parametry te można było poprawić przez odpowiednią modyfikację układu biegowego, umożliwiającą zabudowę nowego układu hamulcowego oraz przebudowę ograniczników skrętu wózka. Konstrukcja wózka charakteryzuje się prostotą budowy i posiada szereg detali i podzespołów zunifikowanych z wózkami eksploatowanych lokomotyw SM42 [2]. W tabeli 1 przedstawiono charakterystykę techniczną wózka 1LNb. 2.2. Opis zmodernizowanych części wózka 1LNb Układ konstrukcyjny wózka 1LNb został przedstawiony na rys. 1. Modernizacji wózka zostały poddane następujące grupy konstrukcyjne (rys. 1): – rama wózka – w zakresie zmiany wsporników (poz. 1), – odgarniacz na wózku (poz. 2), – prowadzenie boczne silnika trakcyjnego (poz. 3), – układ hamulca na wózku – w zakresie zmiany ilości i sposobu zamocowania cylindrów hamulcowych(poz. 4), – układ napędu nadajnika prędkościomierza (poz. 5), 47 na w ci aaz go uz erło oze ej w – układ nadajników prędkości do układu przeciwpoślizgowego (poz. 6), – układ piasecznic na wózku (poz. 7), – układ przewodów smarnych systemu REBS (smarowanie obrzeży kół na wózku – poz. 8), – układ przewodów powietrznych na wózku (poz. 9), – osłony przekładni na wózku (poz. 10), – orurowanie przewodów elektrycznych na wózku (poz. 11). 2.2.1. Rama wózka Rama wózka stanowi konstrukcję spawaną, składającą się z dwu podłużnic połączonych w środku poprzecznicą. Modernizacja ramy miała charakter dwufazowy. W pierwszej fazie sprawdzono możliwość zabudowy nowego układu hamulcowego na ramie wózka 1LN. W drugiej fazie usunięto elementy powodujące kolizję z nowym ukłaTabela 1 Charakterystyka techniczna wózka 1LNb dem hamulcowym i skonstruowano nowe wsporniki do montażu elemenSzerokość toru 1435 mm tów układu hamulcowego. Rozstaw osi zestawów kołowych 2600 mm W związku z tym, że modernizacja (baza wózka) objęła znaczną przebudowę wsporniŚrednica okręgu tocznego koła (w 1100 mm ków głównie zawieszenia hamulca, zastanie nowym) decydowano o tym, aby ramę poddać Nacisk zestawu kołowego na tor 17 t ponownie obliczeniom wytrzymałoSzerokość obręczy kół 140 mm ściowym. Rozstaw środków maźnic zestawu 2060 mm Obliczenia zostały wykonane metodą kołowego MES. Model obliczeniowy ramy został Ugięcie statyczne usprężynowania I50 mm przedstawiony na rys. 2 [3]. go stopnia Po przeprowadzeniu obliczeń, Ugięcie statyczne usprężynowania II83 mm stwierdzono że poziom naprężeń pogo stopnia wstających w ramie wózka dla nadzwyPrzesuw poprzeczny wózka względem 25 mm czajnego obciążenia pionowego, boczpudła nego, wichrowania i obciążenia pochoNajwiększy luz między ograniczni65 mm dzącego od nadzwyczajnego hamowania kami obrotu oraz superpozycji nadzwyczajnego obNajmniejszy łuk toru, przez który 60 m ciążenia pionowego z obciążeniem pomoże przejechać lokomotywa chodzącym od hamulca nie przekracza Maksymalny kąt skrętu wózka 3°37'35'' wartości dopuszczalnych przyjętych wg (między ogranicznikami) norm [3]. Największy przesuw poprzeczny Dodatkowo zalecono wykonawcy zestawu kołowego względem ramy 7 mm przeprowadzenie odprężania wibracyjwózka nego w celu znacznej redukcji naprężeń Hamulec – typ: • pneumatyczno mechaspawalniczych. niczny Dzięki temu zabiegowi możliwe jest • pneumatycznouzyskanie: mechaniczny • wariant z hamulcem po– stabilizacji wymiarowej ramy, kostojowym rzystnej w aspekcie prawidłowego Cylinder hamulcowy: • BCRK 140N funkcjonowania wózka podczas eks• BCRK 140NPS ploatacji, Klocki hamulcowe: pojedyncze bez obrzeża (typu – podwyższenia trwałości eksploataD0-380) cyjnej ramy [4]. Ciśnienie w cylindrze hamulcowym: • BCRK 140N: – max ciśnienie hamulca służbowego HS • BCRK 140NPS: – max ciśnienie hamulca służbowego HS – max ciśnienie hamulca postojowego HP – min ciśnienie hamulca postojowego HP Skrajnia wózka 48 5 bar 5 bar 8 bar 5 bar wg karty UIC-505 2.2.2. Piasecznice i odgarniacz na wózku Pionowe umieszczenie cylindrów (rys. 3) w rejonach przedniej części ramy wymusiło między innymi zmianę konstrukcyjną odgarniacza oraz potrzebę zastosowania elastycznego przewodu łączącego zbiornik piasku z dyszą rozprowadzającą. Przy modernizacji tych elementów należało przewidzieć możliwość regulacji położenia odgarniacza POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Rys. 1. Wózek 1LNb Rys. 2. Model obliczeniowy ramy wózka 1LNb [3] POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 49 Rys. 3. Układ hamulca na wózku 1LNb (związanej ze zmniejszaniem się średnicy tocznej kół) oraz dyszy rozprowadzającej w stosunku do główki szyny. 2.2.3. Prowadzenie boczne silnika trakcyjnego Modernizacja tego węzła polegała na nieznacznej zmianie konstrukcji sworznia łączącego prowadniki silnika z ramą wózka. 2.2.4. Układ nadajników prędkości do układu przeciwpoślizgowego W związku z wprowadzeniem do lokomotywy 6Dk układu przeciwpoślizgowego pozwalającego zwiększyć wydajność układu hamulcowego oraz zabezpieczyć powierzchnie toczne kół przed powstawaniem tzw. „płaskich miejsc” zamontowano w pokrywie maźnicy każdej osi czujniki prędkości. 2.2.5. Układ hamulca na wózku Układ hamulca na wózku przedstawiony został na rys. 3. Wózek wyposażony jest w dwa rodzaje hamulca: hamulec pneumatyczno-mechaniczny (poz. 2) oraz hamulec pneumatyczno-mechaniczny z hamulcem postojowym (poz. 1). Na każde koło zestawu kołowego wózka 1LNb działa jedno urządzenie hamulcowe uruchamiane blokiem cylindrowym z przełożeniem wewnętrznym i nastawiaczem skoku tłoka: urządzenia te wyposażone są w pojedyncze wstawki żeliwne. Hamowanie kół jest typu dwustronnego a każdy cylinder napędza układ dźwigni na jedno koło. Dodatkowo bloki cylindrowe znajdujące się po jednej stronie wózka połączone są za pomocą dzielnika luzu, którego zadaniem jest zapewnienie takiej samej odległości klocków hamulcowych od powierzchni tocznej kół. Jedno urządzenie hamulcowe zamontowane na wózku może być uruchomione również za pomocą siłowników sprężynowych hamulca postojowego. Dźwignie hamulcowe zabezpieczone są, przed możliwością przesuwu poprzecznego, z jednej strony cięgnem przykręcanym do przeciwległych dźwigni, z 50 drugiej strony odbijakiem przyspawanym do ramy wózka. 2.2.6. Układ smarowania obrzeży kół systemu REBS Wózki wyposażone są w system smarowania obrzeży kół firmy REBS. Kompletne urządzenie do spryskiwania składa się ze sterownika, zbiornika, pompy pneumatycznej, zaworu elektromagnetycznego. Na wózku zamontowane są turbinowe urządzenia rozpylające, przewody elastyczne oraz dysze rozpylające. Urządzenia do smarowania obrzeży kół mają za zadanie znaczne zmniejszenie zużycia obrzeży kół powstającego w wyniku kontaktu koła z szyną. System smarowania obrzeży kół REBS pracuje na tzw. hydraulicznych dyszach rozpyłowych wg systemu turbinowego. Cała sieć przewodów za pompą działa jak akumulator, magazynując środek smarowy. W ten sposób w systemie przewodów znajduje się ok. 10% środka smarowego i 90% powietrza. Dzięki temu podczas łącznego czasu rozpylania wynoszącego ok. 6 sekund, możliwe jest bardzo oszczędne spryskanie obrzeża koła przy pomocy mieszaniny środka smarowego i powietrza. Przy właściwym ustawieniu dysz rozpyłowych niemożliwe jest rozbryzgiwanie środka smarowego poza obrzeże koła. 2.2.7. Osłony przekładni na wózku Ze względu na występujące wycieki oleju smarującego z przekładni, została zmodyfikowana uszczelka filcowa, która znacznie poprawiła szczelność połączenia osłony przekładni z kołem zębatym i tuleją łożyska ślizgowego silnika trakcyjnego. 2.3. Wyznaczenie minimalnego promienia przejezdności Jednym z podstawowych parametrów podawanych w charakterystyce lokomotywy jest minimalny przejezdny promień łuku toru po jakim lokomotywa może poruszać się podczas wykonywania prac manewrowych. Na rys. 4 przedstawiono schematycznie usytuowanie wózków 1LNb na łuku o promieniu R. POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 R= 7,5 = 59,39 m ≈ 60 m 2sin 3, 62° Ostatecznie można stwierdzić, że najmniejszy promień łuku toru, po którym przejedzie lokomotywa wyniesie R = 60 m tylko wówczas, gdy luz na odbijakach zostanie powiększony do wartości s = 65 mm. 3. Podsumowanie Rys. 4. Rozmieszczenie wózków lokomotywy SM42 na łuku o promieniu R [5] Maksymalny kąt obrotu wózka względem pudła podczas przejazdu przez łuk toru o promieniu R = 60 m (z tytułu geometrii toru) można wyznaczyć na podstawie wzoru α = arcsin a 2R (1) gdzie: a – baza lokomotywy, R – promień łuku. Po wstawieniu danych liczbowych a = 7,5 m oraz R = 60 m do wzoru (1) otrzymujemy α = arcsin 7,5 = 3,58o 120 (2) Jak wcześniej wspomniano w celu osiągnięcia (wymaganej dla promienia łuku toru wynoszącego R = 60 m) wartości kąta α należy zmodyfikować ograniczniki skrętu wózka. Dotychczasowe parametry konstrukcyjne lokomotywy pozwalały uzyskać kąt α = 3,01° tym samym umożliwiały wjazd w łuki o promieniu R = 71 m. Kąt obrotu wózka względem pudła, jaki można uzyskać powiększając luzy na ogranicznikach do wartości s = 65 mm można wyznaczyć z zależności α = arcsin 2s t gdzie: s – luzy na ogranicznikach skrętu, t – odległość między odbijakami. Po wstawieniu danych liczbowych s = 65 mm oraz t = 2054 mm do wzoru (2) otrzymujemy α = arcsin 130 = 3, 62° 2054 Najmniejszy promień łuku toru, po jakim swobodnie może przejechać lokomotywa można wyznaczyć ze wzoru a (3) R= 2sinα Podstawiając dane liczbowe a = 7,5 m oraz α = 3,62° otrzymujemy POJAZDY SZYNOWE NR 2/2011 Przeprowadzona modernizacja pozwoliła na uzyskanie lepszych parametrów biegowych lokomotywy. Zmodernizowany układ hamulcowy charakteryzuje się lepszą sprawnością, mniejszą awaryjnością oraz większą skutecznością hamowania. Wymierną korzyścią przeprowadzonej modernizacji jest możliwość przejazdu przez najmniejszy promień łuku toru wynoszący R = 60 m, ponieważ wiele zakładów obecnie użytkujących lokomotywę SM42 posiada promienie łuku toru wynoszące właśnie 60 m. Modernizacja wózka 1LN pozwoliła na poprawę zespołów konstrukcyjnych wózka poprzez: – odprężanie wibracyjne zwiększające parametry wytrzymałościowe ramy, – zastosowanie nowoczesnej pneumatyki zasilającej układ hamulcowy, – zmianę układu mechanicznego hamulca zwiększającą skuteczność hamowania, – modyfikację uszczelnienia zwiększającą szczelności przekładni. Tak wykonana modernizacja wózka 1LN pozwoli na dalszą ekonomiczną i zwiększającą możliwości manewrowe oraz przewozowe eksploatację lokomotywy SM42. Literatura [1] G a r d a s J., K r u g i o ł k a J., M a r c i n i a k Z., G r e k Z., K o z ł o w s k i W., Konstrukcja zmodernizowanej spalinowej lokomotywy manewrowej serii SM42-2000, Materiały XII Konferencji Naukowej „Pojazdy Szynowe”, Poznań–Rydzyna 21–24 października 1996. [2] A n t k o w i a k T., S o b a ś M., Opis techniczny wózka 1LNb, Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, Poznań październik 2009. [3] K r u ś M., Obliczenia wytrzymałości wózka 1LNb, Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, Poznań październik 2009. [4] A n t k o w i a k T., S o b a ś M., Tymczasowe warunki techniczne wykonania i odbioru wózka typu 1LNb dla lokomotywy SM42 w wersji dwuagregatowej, Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, Poznań październik 2009. [5] G r z e c h o w i a k R., S o b a ś M., Analiza przejezdności modernizowanej lokomotywy SM42 (6 DK) w wersji dwuagregatowej (2×400 kW) przez łuk o minimalnym promieniu, Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, Poznań październik 2009. 51